Физики из МФТИ детально описали процесс переключения электрической поляризации оксида гафния. Именно на базе этого физического процесса сейчас активно разрабатывается память для компьютерных устройств нового поколения. Соответствующая статья опубликована в ACS Applied Materials and Interfaces.
В настоящий момент по всему миру ведутся поиски подходящих сегнетоэлектрических материалов для компьютерной памяти нового поколения. Сегнетоэлектриками называют вещества, в которых в определенном интервале температур возникает спонтанная электрическая поляризация. Более того, при приложении к таким материалам внешнего электрического поля ориентация этой поляризации может быть произвольно изменена.
Особенность, делающая сегнетоэлектрики перспективным накопителем данных, — тот факт, что даже без внешнего поля поляризация в них сохраняется продолжительное время. Это похоже на то, как если бы магниты (ферромагнетики) оставались намагниченными даже после отключения магнитного поля. Такое свойство необходимо для энергонезависимых постоянных запоминающих устройств.
Авторы новой работы изучили вещество со структурной формулой Hf0,5Zr0,5O2. Подобный оксид гафния с добавлением циркония имеет целый ряд плюсов — например, легко «стыкуется» с уже существующими современными литографическими методами. Минусом этого материала до сих являлось отсутствие внятного представления о том, что именно в нем происходит при переполяризации. Причины этого в том, что свои сегнетооэлектрические свойства оксид гафния проявляет только в очень тонких (от 5 до 20 нанометров) пленках, получить которые можно, например, методом атомно-слоевого осаждения. Однако детально изучить происходящие в столь тонких слоях процессы сложно — слишком малы размеры образцов.
Исследователям удалось изучить микроскопическую структуру оксида гафния непосредственно внутри плоского конденсатора (по сути, прототипа будущей запоминающей ячейки) при помощи разновидности атомно-силового микроскопа — прибора, который «ощупывал» образец посредством особо тонкой и острой иглы. С ее же помощью считывали и состояние запоминающей ячейки (ее поляризацию).
Сама же ячейка состояла из четырех слоев: проводника (TiN), изолятора (SiO3_), оксида гафния и затем вновь проводника (TiN). Весь этот «сандвич» вместе образовывал плоский электрический конденсатор. Передвигая вдоль поверхности материала острую иглу и подавая электрическое напряжение на обкладки конденсатора, исследователи получали данные как о рельефе поверхности (в этой части метод напоминал атомно-силовую микроскопию), так и о распределении поляризации в материале.
Оказалось, что у оксида гафния есть домены — микроскопические участки сегнетоэлектрика с определенной поляризацией, отличающиеся по ее значениям. Игла микроскопа, попадая на такие участки, по-разному отклонялась из-за изменений электрического поля, что позволяло четко выявить границы доменов с точностью до нескольких нанометров.
Новое исследование также позволило подтвердить ранее выдвигавшуюся гипотезу о перестройке кристаллической решетки оксида гафния под действием электрического поля. При перезарядке конденсатора элементарные ячейки кристаллической решетки из скошенных прямоугольных призм (так называемая моноклинная сингония) становятся прямоугольными параллелепипедами (ромбическая сингония), и именно такие ячейки позволяли данному материалу становиться сегнетоэлектриком. Наличие подобных изменений предполагалось рядом ученых ранее, но для подтверждения этой гипотезы физикам недоставало экспериментальных данных, появившихся сейчас.
Работа московских специалистов стала шагом вперед на пути к осознанному проектированию будущих устройств на базе оксида гафния. Зная свойства материала и чем они обусловлены, инженеры смогут оптимизировать ячейки памяти, делая их более компактными, технологичными и надежными.