Het dunste ferro-elektrisch materiaal ooit maakt de weg vrij voor nieuwe energiezuinige apparaten

De ontdekking van intrigerend materiaalgedrag op kleine schaal zou de energiebehoefte voor computers kunnen verminderen.

Naarmate elektronische apparaten kleiner en kleiner worden, moeten de materialen die ze aandrijven steeds dunner worden. Daarom is een van de belangrijkste uitdagingen waarmee wetenschappers worden geconfronteerd bij het ontwikkelen van energie-efficiënte elektronica van de volgende generatie, het ontdekken van materialen die speciale elektronische eigenschappen kunnen behouden bij een ultradun formaat.

Geavanceerde materialen, bekend als ferro-elektriciteit, bieden een veelbelovende oplossing om het stroomverbruik van de ultrakleine elektronische apparaten in mobiele telefoons en computers te helpen verlagen. Ferro-elektriciteit – de elektrische analoog van ferromagneten – is een klasse van materialen waarin sommige atomen niet in het midden zijn gerangschikt, wat leidt tot een spontane interne elektrische lading of polarisatie. Deze interne polarisatie kan van richting veranderen wanneer wetenschappers het materiaal blootstellen aan een externe spanning. Dit belooft veel voor micro-elektronica met ultralaag vermogen.

Helaas verliezen conventionele ferro-elektrische materialen hun interne polarisatie onder een dikte van enkele nanometers. Dit betekent dat ze niet compatibel zijn met de huidige siliciumtechnologie. Dit probleem heeft eerder de integratie van ferro-elektriciteit in micro-elektronica verhinderd.

Maar nu heeft een team van onderzoekers van de University of California in Berkeley, die experimenten uitvoeren bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), een oplossing gevonden die beide problemen tegelijkertijd oplost door het creëren van de dunste ferro-elektrische ooit gerapporteerd en de dunste demonstratie van een werkende geheugen op silicium.

In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap, ontdekte het onderzoeksteam stabiele ferro-elektriciteit in een ultradunne laag zirkoniumdioxide van slechts een halve nanometer dik. Dat is de grootte van een enkele atomaire bouwsteen, ongeveer 200.000 keer dunner dan een mensenhaar. Het team kweekte dit materiaal rechtstreeks op silicium. Ze ontdekten dat ferro-elektriciteit ontstaat in zirkoniumdioxide – normaal gesproken een niet-ferro-elektrisch materiaal – wanneer het extreem dun wordt gekweekt, ongeveer 1-2 nanometer dik.

Met name het ferro-elektrische gedrag gaat door tot de diktelimiet op bijna atomaire schaal van ongeveer een halve nanometer. Deze fundamentele doorbraak markeert ’s werelds dunste ferro-elektrische. Dit is verrassend voor een materiaal dat in zijn bulkvorm niet eens typisch ferro-elektrisch is.

De onderzoekers waren ook in staat om de polarisatie in dit ultradunne materiaal heen en weer te schakelen met een kleine spanning, waardoor de dunste demonstratie van een werkgeheugen ooit op silicium mogelijk was. Het biedt ook een aanzienlijke belofte voor energiezuinige elektronica, vooral gezien het feit dat conventioneel zirkoniumdioxide al aanwezig is in de geavanceerde siliciumchips van vandaag.

“Dit werk is een belangrijke stap in de richting van de integratie van ferro-elektriciteit in zeer geschaalde micro-elektronica”, zegt Suraj Cheema, een postdoctoraal onderzoeker aan UC Berkeley, de eerste auteur van de studie.

Om het ferro-elektrische gedrag van dergelijke ultradunne systemen te visualiseren, was het gebruik van Argonne’s Advanced Photon Source vereist, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science. “Röntgendiffractie geeft het benodigde inzicht in hoe deze ferro-elektriciteit ontstaat”, zegt Argonne-fysicus John Freeland, een andere auteur van het onderzoek.

Naast de onmiddellijke technologische impact heeft dit werk ook belangrijke implicaties voor het ontwerpen van nieuwe tweedimensionale materialen.

“Het simpelweg knijpen van 3D-materialen tot hun 2D-diktelimiet biedt een eenvoudige maar effectieve manier om verborgen verschijnselen in een breed scala aan eenvoudige materialen te ontsluiten,” zei Cheema. “Dit breidt de materiaalontwerpruimte voor elektronica van de volgende generatie aanzienlijk uit met materialen die al compatibel zijn met siliciumtechnologieën.”

Zoals Cheema opmerkte, kan het eenvoudigweg groeien van slechts een paar atomaire lagen van een 3D-materiaal het potentieel bieden voor een nieuwe klasse van 2D-materialen – atomair dunne 3D-materialen – die verder gaan dan conventionele vellen van 2D-materialen zoals grafeen. De onderzoekers hopen dat dit werk zal leiden tot meer onderzoek naar tweedimensionale 3D-materialen die opkomende elektronische fenomenen vertonen die relevant zijn voor energie-efficiënte elektronica.

Dit werk werd geleid door Cheema en Sayeef Salahuddin van UC Berkeley, samen met co-eerste auteurs Nirmaan Shanker en Shang-Lin Hsu. Bij bundellijn 33-BM-C van Argonne’s Advanced Photon Source, in samenwerking met Argonne-fysici Freeland en Zhan Zhang, gebruikten de onderzoekers synchrotron-röntgenabsorptiespectroscopie en röntgendiffractie om de structurele evolutie van ferro-elektriciteit naar de atomaire schaal te onderzoeken en de elektronische oorsprong.

In de Advanced Light Source and Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Lawrence Berkeley National Laboratory, in samenwerking met wetenschappers Padraic Shafer en Jim Ciston, werd de ferro-elektrische kristalstructuur van het materiaal bestudeerd met behulp van zachte röntgenstralen en transmissie-elektronenmicroscopie.