Тончайший ферроэлектрический материал прокладывает путь к новым энергоэффективным устройствам

Открытие интригующего поведения материалов в малых масштабах может снизить потребление энергии для вычислений.

По мере того, как электронные устройства становятся все меньше и меньше, материалы, из которых они сделаны, должны становиться все тоньше и тоньше. Из-за этого одной из ключевых задач, с которыми сталкиваются ученые при разработке энергоэффективной электроники следующего поколения, является поиск материалов, которые могут сохранять особые электронные свойства при сверхтонком размере.

Усовершенствованные материалы, известные как сегнетоэлектрики, представляют собой многообещающее решение, помогающее снизить мощность, потребляемую сверхмалыми электронными устройствами, используемыми в сотовых телефонах и компьютерах. Сегнетоэлектрики — электрический аналог ферромагнетиков — представляют собой класс материалов, в которых некоторые атомы расположены не по центру, что приводит к спонтанному внутреннему электрическому заряду или поляризации. Эта внутренняя поляризация может изменить свое направление, когда ученые подвергают материал внешнему напряжению. Это открывает большие перспективы для сверхмаломощной микроэлектроники.

К сожалению, обычные сегнетоэлектрические материалы теряют свою внутреннюю поляризацию при толщине ниже нескольких нанометров. Это означает, что они несовместимы с современной кремниевой технологией. Эта проблема ранее препятствовала интеграции сегнетоэлектриков в микроэлектронику.

Но теперь группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли, проводящая эксперименты в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), нашла решение, которое одновременно решает обе проблемы, создавая самый тонкий из когда-либо известных сегнетоэлектриков и самую тонкую демонстрацию работающего память на кремнии.

В исследовании, опубликованном в журнале НаукаИсследовательская группа обнаружила стабильное сегнетоэлектричество в ультратонком слое диоксида циркония толщиной всего в половину нанометра. Это размер одного атомного строительного блока, примерно в 200 000 раз тоньше человеческого волоса. Команда вырастила этот материал непосредственно на кремнии. Они обнаружили, что сегнетоэлектричество появляется в диоксиде циркония — обычно не сегнетоэлектрическом материале — когда он становится очень тонким, примерно 1-2 нанометра в толщину.

Примечательно, что сегнетоэлектрическое поведение продолжается до предела толщины, близкого к атомному, примерно в половину нанометра. Этот фундаментальный прорыв отмечает создание самого тонкого сегнетоэлектрика в мире. Это удивительно для материала, который обычно даже не является сегнетоэлектриком в своей объемной форме.

Исследователи также смогли переключать поляризацию в этом ультратонком материале вперед и назад с помощью небольшого напряжения, что позволило продемонстрировать самую тонкую демонстрацию рабочей памяти, когда-либо описанную для кремния. Он также предлагает значительные перспективы для энергоэффективной электроники, особенно если учесть, что обычный диоксид циркония уже присутствует в современных кремниевых чипах.

«Эта работа является ключевым шагом на пути к интеграции сегнетоэлектриков в крупномасштабную микроэлектронику», — сказал Сурадж Чима, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, первый автор исследования.

Для визуализации сегнетоэлектрического поведения таких сверхтонких систем потребовалось использование Аргоннского усовершенствованного источника фотонов, пользовательского средства Управления науки Министерства энергетики США. «Рентгеновская дифракция дает необходимое представление о том, как появляется это ферроэлектричество», — сказал физик из Аргонны Джон Фриланд, еще один автор исследования.

Помимо непосредственного технологического воздействия, эта работа также имеет большое значение для разработки новых двумерных материалов.

«Простое сжатие 3D-материалов до их предела толщины 2D предлагает простой, но эффективный путь к раскрытию скрытых явлений в самых разных простых материалах», — сказал Чима. «Это значительно расширяет пространство дизайна материалов для электроники следующего поколения, включая материалы, уже совместимые с кремниевыми технологиями».

Как отметил Чима, простое выращивание всего нескольких атомарных слоев трехмерного материала может открыть потенциал для нового класса двумерных материалов — атомарно-тонких трехмерных материалов, которые выходят за рамки обычных листов двумерных материалов, таких как графен. Исследователи надеются, что эта работа будет стимулировать дальнейшие исследования двумерных трехмерных материалов, демонстрирующих возникающие электронные явления, важные для энергоэффективной электроники.

Руководили этой работой Чима и Сайеф Салахуддин из Калифорнийского университета в Беркли вместе с соавторами Нирмааном Шанкером и Шанг-Лин Хсу. На линии луча 33-BM-C Аргоннского усовершенствованного источника фотонов, работая с аргоннскими физиками Фриландом и Чжаном Чжаном, исследователи использовали синхротронную рентгеновскую абсорбционную спектроскопию и рентгеновскую дифракцию, чтобы исследовать структурную эволюцию сегнетоэлектричества до атомного масштаба и исследовать его. электронные истоки.

В Лаборатории усовершенствованных источников света и молекулярной фабрики Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики в сотрудничестве с учеными Падраиком Шафером и Джимом Цистоном сегнетоэлектрическая кристаллическая структура материала была изучена с использованием мягкого рентгеновского излучения и просвечивающей электронной микроскопии.