研究人員利用位于 ORNL 的 DOE 納米材料科學中心的超高真空原子力顯微鏡，在氧化鋯鉿中發現了獨特的環境誘導鐵電相變，這種材料對開發先進半導體非常重要。資料來源：Arthur Baddorf/ORNL，能源部
像鉿這樣的材料具有鐵電性，這意味著它們即使在沒有電源的情況下也能長時間存儲數據。這些特性表明，這些材料可能成為開發新型非易失性存儲器技術的關鍵。創新的非易失性存儲器應用將減輕數據不斷傳輸到短期存儲器所產生的熱量，從而為創建更大、更快的計算機系統鋪平道路。
了解hafnia的電氣行為
科學家們探索了大氣層是否會影響hafnia在外部電場作用下改變其內部電荷排列的能力。目的是解釋在霞糠研究中發現的一系列不尋常現象。研究小組的研究成果最近發表在《自然-材料》雜志上。
"我們最終證明，這些系統中的鐵電行為是與表面耦合在一起的，并且可以通過改變周圍的大氣環境來調整。在此之前，這些系統的工作原理只是一種推測，一種基于我們小組和全球多個小組大量觀察結果的假設，"ORNL 納米材料科學中心研究員凱爾-凱利（Kyle Kelley）說。CNMS 是能源部科學辦公室的用戶設施。凱利與田納西大學諾克斯維爾分校的謝爾蓋-卡利寧合作進行了實驗并構思了該項目。
表面層和存儲器應用
通常用于存儲器應用的材料都有一個表面層或死層，會影響材料存儲信息的能力。當材料被縮小到只有幾納米厚時，死層的影響就會變得非常嚴重，足以完全阻止其功能特性。通過調整表層的行為，在hafnia，這使得材料從反鐵電狀態過渡到鐵電狀態。
Kelley說："最終，這些發現為鉿的預測建模和設備工程提供了一條途徑，鑒于這種材料在半導體工業中的重要性，這是迫切需要的。"
預測建模使科學家能夠利用以前的研究來估計未知系統的特性和行為。Kelley 和 Kalinin 領導的這項研究主要關注的是與氧化鋯（一種陶瓷材料）混合的hafnia合金。不過，未來的研究可以利用這些發現來預測二氧化鉿與其他元素合金化后的行為。
研究方法與合作
這項研究依賴于手套箱內和環境條件下的原子力顯微鏡以及超高真空原子力顯微鏡，這些方法都是 CNMS 可以提供的。
凱利說："利用 CNMS 的獨特能力，我們能夠完成這類工作。我們基本上改變了環境，從環境氣氛一直到超高真空。換句話說，我們把大氣中的所有氣體都去除到可以忽略不計的程度，然后測量這些反應，這是很難做到的。"
卡內基梅隆大學材料表征設施的團隊成員通過提供電子顯微鏡表征在研究中發揮了關鍵作用，弗吉尼亞大學的合作者則領導了材料開發和優化工作。
ORNL的劉永濤（CNMS研究員）進行了環境壓電響應力顯微鏡測量。支撐該研究項目的模型理論是卡利寧和烏克蘭國家科學院物理研究所的安娜-莫羅佐夫斯卡長期合作研究的成果。
團隊的見解
Kalinin說："我與基輔的同事在鐵電物理和化學方面已經合作了近 20 年。他們幾乎是在該國戰爭的前線為這篇論文做了大量工作。這些人一直在我們大多數人無法想象的條件下從事科學研究。"
研究小組希望，他們的發現將激發新的研究，專門探索受控表面和界面電化學的作用--電和化學反應之間的關系。
魯公網安備 37010202001033號