Ein Wissenschaftlerteam des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums hat das Verhalten von Hafniumoxid oder Hafnia aufgrund seines Potenzials für den Einsatz in neuartigen Halbleiteranwendungen untersucht.
Materialien wie Hafnia weisen Ferroelektrizität auf, was bedeutet, dass sie auch bei Stromausfall eine längere Datenspeicherung ermöglichen und bei der Entwicklung neuer, sogenannter nichtflüchtiger Speichertechnologien eingesetzt werden könnten. Innovative nichtflüchtige Speicheranwendungen werden den Weg für die Schaffung größerer und schnellerer Computersysteme ebnen, indem sie die Hitze verringern, die durch die kontinuierliche Übertragung von Daten in das Kurzzeitgedächtnis entsteht.
Die Wissenschaftler untersuchten, ob die Atmosphäre eine Rolle bei der Fähigkeit von Hafnia spielt, ihre interne elektrische Ladungsanordnung zu ändern, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird. Ziel war es, die Bandbreite der ungewöhnlichen Phänomene zu erklären, die in der Hafnia-Forschung festgestellt wurden. Die Erkenntnisse des Teams wurden kürzlich veröffentlicht In Naturmaterialien. Der Titel der Arbeit lautet „Ferroelektrizität in Hafnia gesteuert durch den elektrochemischen Zustand der Oberfläche“.
„Wir haben schlüssig bewiesen, dass das ferroelektrische Verhalten in diesen Systemen an die Oberfläche gekoppelt ist und durch Veränderung der umgebenden Atmosphäre eingestellt werden kann. Bisher waren die Funktionsweisen dieser Systeme Spekulationen, eine Hypothese, die auf einer Vielzahl von Beobachtungen sowohl unserer Gruppe als auch unserer Gruppe basierte.“ von mehreren Gruppen weltweit“, sagte Kyle Kelley vom ORNL, ein Forscher am Center for Nanophase Materials Sciences. CNMS ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science.
Kelley führte die Experimente durch und plante das Projekt in Zusammenarbeit mit Sergei Kalinin von der University of Tennessee, Knoxville.
Materialien, die üblicherweise für Speicheranwendungen verwendet werden, haben eine oberflächliche oder tote Schicht, die die Fähigkeit des Materials, Informationen zu speichern, beeinträchtigt. Wenn Materialien auf nur wenige Nanometer Dicke verkleinert werden, wird die Wirkung der toten Schicht so stark, dass die funktionellen Eigenschaften vollständig zum Erliegen kommen. Durch die Veränderung der Atmosphäre konnten die Wissenschaftler das Verhalten der Oberflächenschicht anpassen, was bei Hafnia dazu führte, dass das Material vom antiferroelektrischen in den ferroelektrischen Zustand überging.
„Letztendlich bieten diese Erkenntnisse einen Weg für die prädiktive Modellierung und Geräteentwicklung von Hafnia, was angesichts der Bedeutung dieses Materials in der Halbleiterindustrie dringend erforderlich ist“, sagte Kelley.
Die prädiktive Modellierung ermöglicht es Wissenschaftlern, frühere Forschungsergebnisse zu nutzen, um die Eigenschaften und das Verhalten eines unbekannten Systems abzuschätzen. Die von Kelley und Kalinin durchgeführte Studie konzentrierte sich auf Hafnia, legiert oder gemischt mit Zirkoniumoxid, einem Keramikmaterial. Zukünftige Forschungen könnten die Ergebnisse jedoch nutzen, um vorherzusagen, wie sich Hafnia verhält, wenn es mit anderen Elementen legiert wird.
Die Forschung stützte sich auf die Rasterkraftmikroskopie sowohl in einer Glovebox als auch unter Umgebungsbedingungen sowie auf die am CNMS verfügbaren Methoden der Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum.
„Die Nutzung der einzigartigen CNMS-Funktionen ermöglichte es uns, diese Art von Arbeit zu erledigen“, sagte Kelley. „Wir haben die Umgebung grundsätzlich von der Umgebungsatmosphäre zum Ultrahochvakuum verändert. Mit anderen Worten, wir haben alle Gase in der Atmosphäre auf ein vernachlässigbares Maß entfernt und diese Reaktionen gemessen, was äußerst schwierig ist.“
Teammitglieder der Materials Characterization Facility der Carnegie Mellon University spielten durch die elektronenmikroskopische Charakterisierung eine Schlüsselrolle in der Forschung, und Mitarbeiter der University of Virginia leiteten die Materialentwicklung und -optimierung.
Yongtao Liu vom ORNL, ein Forscher am CNMS, führte Messungen der Umgebungs-Piezoresponse-Kraftmikroskopie durch.
Die diesem Forschungsprojekt zugrunde liegende Modelltheorie war das Ergebnis einer langen Forschungspartnerschaft zwischen Kalinin und Anna Morozovska am Institut für Physik der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine.
„Ich arbeite seit fast 20 Jahren mit meinen Kollegen in Kiew an der Physik und Chemie der Ferroelektrika“, sagte Kalinin. „Sie haben viel für diese Arbeit getan, während sie in diesem Land fast an vorderster Front standen. Diese Leute betreiben weiterhin Wissenschaft unter Bedingungen, die sich die meisten von uns nicht vorstellen können.“
Das Team hofft, dass das, was sie entdeckt haben, neue Forschungen anregen wird, die sich speziell mit der Erforschung der Rolle kontrollierter Oberflächen- und Grenzflächenelektrochemie – der Beziehung zwischen Elektrizität und chemischen Reaktionen – für die Leistung eines Computergeräts befassen.
„Zukünftige Studien können dieses Wissen auf andere Systeme ausweiten, um uns zu helfen zu verstehen, wie sich die Schnittstelle auf die Geräteeigenschaften auswirkt, und das wird hoffentlich positiv sein“, sagte Kelley. „Normalerweise zerstört die Grenzfläche Ihre ferroelektrischen Eigenschaften, wenn sie auf diese Dicken skaliert wird. In diesem Fall zeigte sie uns einen Übergang von einem Materialzustand in einen anderen.“
Kalinin fügte hinzu: „Traditionell haben wir Oberflächen auf atomarer Ebene erforscht, um Phänomene wie chemische Reaktivität und Katalyse oder die Veränderung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu verstehen. Gleichzeitig bestand unser Ziel in der traditionellen Halbleitertechnologie nur darin, Oberflächen sauber zu halten.“ Verunreinigungen. Unsere Studien zeigen, dass diese beiden Bereiche – die Oberfläche und die Elektrochemie – tatsächlich miteinander verbunden sind. Wir können Oberflächen dieser Materialien verwenden, um ihre funktionellen Eigenschaften im Inneren abzustimmen.“
Mehr Informationen:
Kyle P. Kelley et al., Ferroelektrizität in Hafnia, kontrolliert über den elektrochemischen Oberflächenzustand, Naturmaterialien (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01619-9