Uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA estudou o comportamento do óxido de háfnio, ou háfnio, por seu potencial para uso em novas aplicações de semicondutores. Cientistas que estudam o potencial do háfnio para uso em aplicações de semicondutores descobriram que seu comportamento pode ser afetado pela atmosfera circundante. Suas descobertas fornecem boas implicações para a futura tecnologia de memória.

Usando microscopia de força atômica de ultra-alto vácuo no DOE Nanomaterials Science Center no ORNL, os pesquisadores descobriram uma transição de fase ferroelétrica induzida pelo ambiente única em óxido de zircônio-háfnio, um material importante para o desenvolvimento de semicondutores avançados. Fonte: Arthur Baddorf/ORNL, Departamento de Energia

Materiais como o háfnio são ferroelétricos, o que significa que podem armazenar dados por longos períodos de tempo, mesmo sem energia. Estas propriedades sugerem que estes materiais podem ser fundamentais para o desenvolvimento de novas tecnologias de memória não volátil. Aplicações inovadoras de memória não volátil aliviarão o calor gerado pela transferência contínua de dados para a memória de curto prazo, abrindo caminho para a criação de sistemas de computador maiores e mais rápidos.

Compreendendo o comportamento elétrico da háfnia

Os cientistas exploraram se a atmosfera afecta a capacidade do Hafnia de alterar o seu arranjo de carga interna em resposta a campos eléctricos externos. O objetivo é explicar uma série de fenômenos incomuns descobertos nas pesquisas de Xiafu. As descobertas da equipe de pesquisa foram publicadas recentemente na revista Nature Materials.

"Finalmente mostramos que o comportamento ferroelétrico nestes sistemas está acoplado à superfície e pode ser ajustado alterando o ambiente atmosférico circundante. Até agora, a forma como estes sistemas funcionam tem sido uma questão de especulação, uma hipótese baseada em numerosas observações do nosso grupo e de vários grupos em todo o mundo, "disse Kyle Kelley, pesquisador do Centro de Ciência de Nanomateriais do ORNL. CNMS é uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia. Kelly colaborou com Sergey Kalinin, da Universidade do Tennessee, Knoxville, que conduziu os experimentos e concebeu o projeto.

Camada superficial e aplicações de memória

Freqüentemente, os materiais usados ​​em aplicações de memória têm uma superfície ou camada morta que afeta a capacidade do material de armazenar informações. Quando um material é reduzido a apenas alguns nanômetros de espessura, os efeitos da camada morta tornam-se graves o suficiente para impedir completamente suas propriedades funcionais. Ao ajustar o comportamento da camada superficial, em háfnia, isso permite que o material faça a transição do estado antiferroelétrico para o estado ferroelétrico.

"Em última análise, essas descobertas fornecem um caminho para modelagem preditiva e engenharia de dispositivos de háfnio, que é urgentemente necessária dada a importância deste material na indústria de semicondutores", disse Kelley.

A modelagem preditiva permite que os cientistas usem pesquisas anteriores para estimar as propriedades e o comportamento de sistemas desconhecidos. A pesquisa liderada por Kelley e Kalinin concentrou-se em ligas de háfnia misturadas com zircônia, um material cerâmico. No entanto, pesquisas futuras poderiam usar essas descobertas para prever como o dióxido de háfnio se comporta quando ligado a outros elementos.

Métodos de pesquisa e colaboração

Esta pesquisa contou com microscopia de força atômica dentro de um porta-luvas e sob condições ambientais, bem como microscopia de força atômica de ultra-alto vácuo, métodos que o CNMS pode fornecer.

“Usando os recursos exclusivos do CNMS, somos capazes de realizar esse tipo de trabalho”, disse Kelly. "Basicamente, mudamos o ambiente da atmosfera ambiente para o vácuo ultra-alto. Em outras palavras, removemos todos os gases da atmosfera a um grau insignificante e depois medimos essas reações, o que é muito difícil de fazer."

Os membros da equipe do Centro de Caracterização de Materiais da Universidade Carnegie Mellon desempenharam um papel fundamental na pesquisa, fornecendo caracterização por microscopia eletrônica, e colaboradores da Universidade da Virgínia lideraram esforços de desenvolvimento e otimização de materiais.

Liu Yongtao do ORNL (pesquisador do CNMS) realizou as medições de microscopia de força de resposta piezoelétrica ambiental. A teoria do modelo que apoia este projeto de pesquisa é o resultado de uma pesquisa colaborativa de longo prazo entre Kalinin e Anna Morozovska do Instituto de Física da Academia Nacional de Ciências da Ucrânia.

Informações da equipe

“Tenho colaborado com colegas em Kiev em física e química ferroelétrica há quase 20 anos”, disse Kalinin. "Eles fizeram grande parte do trabalho neste artigo quase na linha de frente da guerra naquele país. Essas pessoas têm feito pesquisas científicas em condições que a maioria de nós nem consegue imaginar."

A equipe espera que suas descobertas inspirem novas pesquisas que explorem especificamente o papel da superfície controlada e da eletroquímica interfacial - a relação entre reações elétricas e químicas.