Zuurstofmigratie maakt ferro-elektriciteit op nanoschaal mogelijk

Op hafnium gebaseerde dunne films, met een dikte van slechts enkele nanometers, vertonen een onconventionele vorm van ferro-elektriciteit. Dit maakt de constructie mogelijk van geheugens of logische apparaten van nanometergrootte. Het was echter niet duidelijk hoe ferro-elektriciteit op deze schaal kon optreden. Een studie onder leiding van wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen toonde aan hoe atomen bewegen in een op hafnium gebaseerde condensator: migrerende zuurstofatomen (of vacatures) zijn verantwoordelijk voor het waargenomen schakelen en opslaan van lading. De resultaten, die door het tijdschrift online zijn gepubliceerd Wetenschap op 15 april de weg wijzen naar nieuwe ferro-elektrische materialen.

Ferro-elektrische materialen vertonen spontane polarisatie die kan worden omgekeerd of geschakeld met behulp van een elektrisch veld. Het wordt gebruikt in niet-vluchtige geheugens of de constructie van logische apparaten. Een nadeel van deze materialen is dat wanneer de grootte van de kristallen tot onder een bepaalde grens wordt teruggebracht, de ferro-elektrische eigenschappen verloren gaan. Enkele jaren geleden suggereerden onderzoekers echter dat op hafnium gebaseerde oxiden ferro-elektriciteit konden vertonen op nanoschaalafmetingen.

Microscoop

In 2018 bevestigde een team onder leiding van Beatriz Noheda, hoogleraar functionele nanomaterialen aan de Rijksuniversiteit Groningen, deze bijzondere eigenschappen van hafniumoxiden. “We wisten echter niet precies hoe deze ferro-elektriciteit tot stand kwam”, zegt ze. “We wisten dat het mechanisme in deze op hafnium gebaseerde dunne membranen anders is. Omdat ferro-elektrische schakeling iets is dat op atomaire schaal plaatsvindt, hebben we besloten om te bestuderen hoe de atomaire structuur van dit materiaal reageert op een elektrisch veld, beide met behulp van de krachtige X -ray bron bij de MAX-IV synchrotron in Lund en onze formidabele elektronenmicroscoop in Groningen. “

De universiteit huisvest een state-of-the-art elektronenmicroscoop in het elektronenmicroscopiecentrum van het Zernike Institute for Advanced Materials, waarmee de groep van Bart Kooi, co-auteur van de Wetenschap papier, met succes de lichtste atomen in het periodiek systeem – waterstof – voor het eerst in 2020 in beeld gebracht. Hier komt eerste auteur Pavan Nukala om de hoek kijken. Hij werkte als Marie Curie Research Fellow aan de Rijksuniversiteit Groningen en had een achtergrond in elektronen microscopie en materiaalkunde, vooral in deze ferro-elektrische hafniumsystemen.

Zuurstof

Als de voorbereiding van een monster voor het afbeelden van atomen echter lastig is, dan vergroot de noodzaak om ter plaatse een elektrisch veld over een apparaat aan te leggen de moeilijkheidsgraad met verschillende ordes van grootte. Gelukkig voegde Majid Ahmadi (een meester in in situ experimenten) zich rond dezelfde tijd bij Kooi’s groep. “We waren er allemaal behoorlijk van overtuigd dat als er één plek was waar de omschakeling van hafnium ter plaatse op atomaire schaal gevisualiseerd kon worden, het hier in het ZIAM elektronenmicroscopiecentrum zou zijn. Het profiteert van een unieke combinatie van de juiste materiaalkennis. wetenschap, microscopie en infrastructuur ”, legt Noheda uit.

De juiste protocollen voor het bouwen van op hafnium gebaseerde elektron-transparante condensatoren met behulp van een gefocusseerde ionenbundelfaciliteit zijn ontwikkeld door Ahmadi en Nukala. “We hebben het atoomrooster van hafnium-zirkoniumoxide tussen twee elektroden afgebeeld, inclusief de lichte zuurstofatomen”, legt Nukala uit. “Mensen geloofden dat verplaatsing van zuurstofatomen in hafnium aanleiding zou geven tot polarisatie. Elke microscopie zou dus alleen zin hebben als zuurstof kon worden afgebeeld en daar hadden we het juiste gereedschap voor. Vervolgens legden we een externe spanning op de condensator en keken naar de atomaire veranderingen in echte tijd.” Zo’n in situ experiment met directe beeldvorming van zuurstofatomen in de elektronenmicroscoop was nog nooit gedaan.

Migratie

“Een belangrijk kenmerk dat we hebben waargenomen, is dat de zuurstofatomen bewegen”, legt Nukala uit. “Ze worden opgeladen en migreren volgens het elektrische veld tussen de elektroden door de hafniumlaag. Zo’n omkeerbaar ladingstransport maakt ferro-elektriciteit mogelijk.” Noheda voegt eraan toe: “Dit was een grote verrassing.”

Er is ook een kleine verschuiving in atomaire posities op picometerschaal in de eenheidscellen, maar het algehele effect van de zuurstofmigratie van de ene naar de andere kant op de reactie van het apparaat is veel groter. Deze ontdekking maakt de weg vrij voor nieuwe materialen die kunnen worden gebruikt voor opslag- en logische apparaten van nanometergrootte. “Op hafnium gebaseerde ferro-elektrische herinneringen zijn al in productie, ook al was het mechanisme achter hun gedrag onbekend”, zegt Nukala. “We hebben nu de weg vrijgemaakt voor een nieuwe generatie zuurstofgeleidende, siliciumcompatibele ferro-elektrische materialen.”

Noheda, directeur van CogniGron, het Groningen Cognitive Systems and Materials Center, dat nieuwe materialen ontwikkelt voor cognitive computing, ziet interessante toepassingen voor het nieuwe type ferro-elektrische materialen. “Zuurstofmigratie is veel langzamer dan dipool-omschakeling. In geheugensystemen die het korte- en langetermijngeheugen van hersencellen kunnen nabootsen, proberen materiaalwetenschappers momenteel hybride systemen te maken van verschillende materialen om deze twee mechanismen te combineren.” doe het nu in hetzelfde materiaal. En door de zuurstofbeweging te beheersen, zouden we wederom tussenliggende toestanden kunnen creëren, zoals je bij neuronen aantreft. “

Gebreken

Nukala, die nu assistent-professor is aan het Indian Institute of Science, is ook geïnteresseerd in het onderzoeken van de piëzo-elektrische of elektromechanische eigenschappen van het materiaal. “Alle conventionele ferro-elektrische systemen zijn ook piëzo-elektrisch. Hoe zit het met deze nieuwe niet-giftige, siliciumvriendelijke ferro-elektrische systemen? Er is hier een kans om hun potentieel in micro-elektromechanische systemen te onderzoeken.”

Uiteindelijk komen de eigenschappen van dit nieuwe materiaal voort uit onvolkomenheden. “De zuurstof kan alleen reizen omdat er zuurstofvacatures zijn in de kristalstructuur”, zegt Nukala. “In feite zou je ook kunnen beschrijven wat er gebeurt als een migratie van deze vacatures. Deze structurele defecten zijn de sleutel tot het ferro-elektrische gedrag en geven materialen in het algemeen nieuwe eigenschappen.”