Наноразмерные ферроэлектрики становятся реальностью

Ферроэлектрика вместо магнитной компьютерной памяти существенно экономит энергию. Оксид гафния может быть использован для создания наноразмерного ферроэлектрика.

Ферроэлектрическая компьютерная память потребляет меньше энергии, чем магнитная, но до сих пор считалось, что при уменьшении размеров бита ферроэлектрические свойства исчезают, поскольку диполи в небольших группах теряют стабильность. Первые сообщения о том, что для получения ферроэлектрических наноячеек может использоваться оксид гафния, была встречена научным сообществом с осторожным скептицизмом.

Ферроэлектрические наноячейки

Теперь физики из Гронингенского университета (UG) считают, что собрали достаточно доказательств для переубеждения скептиков. Результаты своего исследования они опубликовали вчера в журнале Nature Materials.

«Сокращение размеров ферроэлектрических материалов было предметом исследований уже более 20 лет», — говорит профессор функциональных наноматериалов UG Беатриз Ноэда (Beatriz Noheda).

Примерно восемь лет назад о прорыве объявила Лаборатория наноэлектронных материалов в Дрездене (Германия). Они утверждали, что тонкие пленки из оксида гафния становятся ферроэлектриками при толщине менее 10 нм, и что более толстые плёнки на самом деле теряют свои ферроэлектрические свойства. «Это противоречило всему, что мы знали, поэтому большинство ученых были настроены скептически, включая меня», — вспоминает Ноэда.

Отчасти недоверие было вызвано тем, что образцы гафния, используемые в этих исследованиях, были поликристаллическими, и присутствовавшие в них множественные фазы, мешали ясному пониманию такого нетрадиционного явления.

В отличие от группы из Дрездена, Ноэда и её коллеги для своих опытов вырастили чистые (однофазные) плёнки толщиной менее 10 нм, в которых с помощью электронного микроскопа и рентгеновской дифракции обнаружили ранее неизвестную полярную структуру, характерную для ферроэлектриков. Последующие тщательные измерения транспорта подтвердили, что материал действительно являлся ферроэлектриком.

«В подложке, которую мы использовали, атомы располагались несколько теснее, чем в оксиде гафния, поэтому кристаллы гафния получались немного напряжёнными», — поясняет Ноэда.

Кроме того, к своему удивлению, авторы подтвердили и ещё один странный результат, полученный в Дрездене: кристаллическая структура плёнки изменялась, когда толщина той становилась больше 10 нм. Механизм этого эффекта прояснило изучение фазовой диаграммы оксида гафния. Оказалось, что мелкие наночастицы обладают очень большой поверхностной энергией, создающей давление на кристалл вплоть до 5 гигапаскалей.

Для такого давления фазовая диаграмма показывает другую кристаллическую структуру. «Давление в сочетании с вызванным подложкой напряжением (эпитаксиальным сжатием) порождает полярную фазу, которая согласуется с наблюдениями того, что эти кристаллы являются ферроэлектриками», — заключила Ноэда.

По её мнению, результаты эксперимента с полной определённостью показывают: оксид гафния на наноуровне становится ферроэлектриком. Это значит, что из него можно изготавливать сверхминиатюрные запоминающие ячейки, которые смогут переключаться под действием крайне низкого электрического напряжения. Кроме того, применявшаяся в работе подложка была магнитной, и такая комбинация магнитных и ферроэлектрических ячеек даёт дополнительную степень свободы, обеспечивая запись двойного количества информации.

Авторы предполагают, что открытый ими механизм наноуровневого ферроэлектричества действует и для других простых оксидов, что даст почву для множества новых исследований и открытий. опубликовано econet.ru  

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet