Mehrstufiges Polarisationsschalten in ferroelektrischen Dünnschichten

Ferroelektrische Materialien haben vor allem aufgrund ihrer elektrischen Polarisation, die zwischen zwei unterschiedlichen Zuständen umgeschaltet werden kann, eine weit verbreitete Verwendung in der Alltagstechnologie gefunden. Die Überwindung der binären Grenze von Ferroelektrika, um jeden beliebigen Wert der Polarisation zu erreichen, ist seit langem eine Herausforderung, hat aber das Potenzial, den Anwendungsbereich ferroelektrischer Anwendungen erheblich zu erweitern, beispielsweise in Richtung neuromorphes Rechnen.

Die moderne Elektronik ist eine digitale Welt, in der Informationen in Form von Nullen und Einsen generiert, gespeichert und verarbeitet werden. Um ihre Funktion zu erfüllen, sind viele elektronische Komponenten daher auf Materialien angewiesen, die von Natur aus binär sind. Bei Magnetfestplatten beispielsweise sind Informationen in der remanenten Magnetisierung eines Ferromagneten kodiert, die durch die bekannte magnetische Hysterese definiert ist und genau zwei unterschiedliche Werte annehmen kann. Magnetische Domänen in der Festplatte (dh Bereiche mit gleichmäßiger Magnetisierung) bilden dann Speicherbits.

Während die binäre Elektronik zweifellos zu unzähligen Errungenschaften geführt hat, stößt sie an ihre grundlegenden größenbezogenen Grenzen. Darüber hinaus war dieser binäre Ansatz unpraktisch, um analoge biologische Systeme – wie die synaptische Übertragung im Gehirn – nachzuahmen, die als Grundlage für hocheffiziente neuromorphe Elektronik der nächsten Generation vielversprechend sind.

Mit Fokus auf Ferroelektrika – Materialien mit schaltbarer spontaner elektrischer Polarisation – haben Forscher des Laboratory for Multifunctional Ferroic Materials und des Electron Microscopy Center der EMPA nun erfolgreich die Fähigkeit realisiert, jeden beliebigen Wert der Polarisation bei Remanenz einzustellen. Dies gelang ihnen in dünnen Schichten aus Blei-Zirkonat-Titanat (PbZrxTi1-xO3, kurz PZT) – dem technologisch relevantesten ferroelektrischen Material, das aufgrund seiner piezoelektrischen Eigenschaften beispielsweise in Drucksensoren oder Ultraschallgeräten breite Anwendung gefunden hat.

Um diese kontinuierliche Schaltbarkeit der Polarisation zu erreichen, kombinierte das Team zwei besondere Aspekte in seinem Designansatz. Zunächst konzentrierten sie sich auf eine chemische Zusammensetzung von PZT, die nahe an einer Phaseninstabilität liegt, bei der selbst kleine elektrische Felder sehr große Materialreaktionen wie mechanische Verformung hervorrufen können. Zweitens entschieden sie sich für die Herstellung von Epitaxiefilmen mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern, bei denen die durch das darunterliegende einkristalline Substrat induzierte Spannung als Griff zur Steuerung der ferroelektrischen Domänenarchitektur dient.

Basierend auf dieser Strategie präparierten die Forscher die Filme mit einem atomar präzisen gepulsten Laserabscheidungssystem, das mit modernsten In-situ-Überwachungswerkzeugen ausgestattet war, und schafften es, eine Domänenkonfiguration in den PZT-Filmen zu erhalten, die aus zufällig angeordneten nanoskopischen (≈10 nm) Domänen. Überraschenderweise fanden sie heraus, dass das Anlegen eines elektrischen Feldes es ermöglicht, die Polarisation in jeder Domäne umzukehren, ohne die Domänengröße im Nanometerbereich zu verändern. Da die Domänen eine breite Verteilung von Schaltbarrieren aufweisen, war es außerdem möglich, nur einen Bruchteil der Domänen mit einem angelegten Spannungswert zu schalten. Somit konnten sie durch Mittelung über eine Handvoll Domänen jeden Wert der Polarisation bei Remanenz zwischen depolarisierten und vollständig gesättigten Zuständen stabilisieren.

Um die technologische Relevanz einer kontinuierlichen Polarisationssteuerung im Nanomaßstab zu demonstrieren, führten die Forscher zwei Proof-of-Concept-Experimente durch. Für ihre erste Anwendung zeigten sie, dass es durch räumliche Steuerung der Nettopolarisation möglich ist, die Effizienz für die optische Frequenzverdopplung – die Erzeugung der zweiten Harmonischen – abzustimmen, eine Eigenschaft, die für photonische Anwendungen eine große Rolle spielt. Zweitens demonstrierten sie eine quasi-kontinuierliche Abstimmbarkeit des Tunnelstroms, der durch den PZT-Film fließt, in Abhängigkeit von der Nettopolarisation. Diese Manipulation des Stromflusses bietet nicht nur ein zerstörungsfreies Auslesen der Polarisation, sondern eröffnet auch aufregende Möglichkeiten für die Herstellung künstlicher Synapsen.

Ihre Studie ist veröffentlicht in Naturkommunikation.