15.05.2018
ФизТех

Ученые «ощупали» материал для памяти будущего

В МФТИ описали процесс переключения электрической поляризации оксида гафния, на основе которого предлагают делать запоминающие ячейки для компьютерных устройств нового поколения.

Ученые «ощупали» материал для памяти будущего / ©Пресс-служба МФТИ

Физики из МФТИ детально описали процесс переключения электрической поляризации оксида гафния, на основе которого многие исследователи предлагают делать запоминающие ячейки для компьютерных устройств нового поколения. На страницах журнала ACS Applied Materials and Interfaces ученые представили данные о поведении этого перспективного материала на микроскопическом уровне.

Вещество со структурной формулой Hf0.5Zr0.5O2, которому посвящена статья специалистов МФТИ совместно с сотрудниками университета Небраски, — сегнетоэлектрик. Это значит, что в электрическом поле часть электронов смещается в сторону, создавая заряженный участок, — и даже если поле исчезнет, этот заряд останется на месте. Сегнетоэлектрики остаются поляризованными так же, как магниты (ферромагнетики) продолжают быть намагниченными: это очень ценное свойство, позволяющее, например, создавать микроскопические ячейки для компьютерной памяти.

Ведущий автор исследования, старший научный сотрудник лаборатории нейровычислительных систем МФТИ, к.ф.-м.н. Анастасия Чуприк и команда молодых ученых, участвовавших в работе (слева направо: Роман Киртаев, Сергей Зарубин, Максим Спиридонов, к.ф.-м.н. Анна Черникова) / Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ
Ведущий автор исследования, старший научный сотрудник лаборатории нейровычислительных систем МФТИ, к.ф.-м.н. Анастасия Чуприк и команда молодых ученых, участвовавших в работе (слева направо: Роман Киртаев, Сергей Зарубин, Максим Спиридонов, к.ф.-м.н. Анна Черникова) / Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ

Оксид гафния интересен и тем, что он, в отличие от многих «модных» материалов вроде графена или углеродных нанотрубок, уже применяется в микроэлектронной промышленности, например в процессорах Intel. Свои сегнетооэлектрические свойства оксид гафния проявляет только в очень тонких (от пяти до 20 нанометров) пленках, получить которые можно, например, методом атомно-слоевого осаждения.

«Этот метод, применявшийся и в нашем исследовании, — рассказывает Анастасия Чуприк, старший научный сотрудник лаборатории нейровычислительных систем МФТИ, — позволяет получать конформные, то есть однородные по толщине, пленки. Он очень интересен с точки зрения микроэлектроники, так как, помимо производства уже выпускающихся устройств, может быть использован в перспективных задачах вроде трехмерной микроэлектроники».

Технологичность в сочетании с сегнетоэлектрическими свойствами были бесспорными плюсами, а вот минусом являлось отсутствие внятного представления о том, как именно переполяризуется материал и что при этом с ним происходит. Изучить микроскопическую структуру оксида гафния непосредственно внутри плоского конденсатора (по сути, будущей ячейки памяти) удалось при помощи разновидности атомно-силового микроскопа — прибора, который не осматривал, а скорее «ощупывал» образец.

Экспериментальная установка, схема. Сверху — острая игла, при помощи которой физики определяли поляризацию сегнетоэлектрического материала; далее идет «бутерброд» из проводника, изолятора, оксида гафния и снова проводника на кремниевой подложке: эти слои образуют плоский электрический конденсатор. Красные линии схематически показывают электрические проводники, подключенные к образцу / Елена Хавина, пресс-служба МФТИ
Экспериментальная установка, схема. Сверху — острая игла, при помощи которой физики определяли поляризацию сегнетоэлектрического материала; далее идет «бутерброд» из проводника, изолятора, оксида гафния и снова проводника на кремниевой подложке: эти слои образуют плоский электрический конденсатор. Красные линии схематически показывают электрические проводники, подключенные к образцу / Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

Анастасия Чуприк добавляет: «Передвигая вдоль поверхности материала особо острую иглу и подавая электрическое напряжение на обкладки конденсатора, мы получили данные как о рельефе поверхности — в этой части метод напоминал атомно-силовую микроскопию, — так и о распределении поляризации в материале».

Полученные в ходе экспериментов данные впервые позволили показать существование у оксида гафния доменов, то есть микроскопических участков сегнетоэлектрика с определенной поляризацией. Игла микроскопа, попадая на такие участки, по-разному отклонялась из-за изменений электрического поля, это позволяло выявить границы доменов с точностью до нескольких нанометров.

Кроме того, ученые подтвердили перестройку кристаллической решетки оксида гафния в результате воздействия электрического поля. При перезарядке конденсаторов элементарные ячейки решетки из скошенных прямоугольных призм (так называемая моноклинная сингония) становятся прямоугольными параллелепипедами (это ромбическая сингония), а именно такие ячейки позволяют этому материалу становиться сегнетоэлектриком. Наличие таких изменений предполагалось рядом исследователей ранее, но для подтверждения гипотезы физикам не доставало информации.

«Несмотря на то что оксид гафния уже используется в микроэлектронике и его достаточно легко применить для производства энергонезависимой памяти, природа его сегнетоэлектрических свойств остается неясной. Наша работа стала шагом вперед на пути к осознанному проектированию будущих устройств: зная свойства материала и чем они обусловлены, инженеры смогут оптимизировать ячейки памяти, делая их более компактными, технологичными и надежными», — говорит Анастасия Чуприк.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
7 часов назад
Мария Азарова

Американские исследователи оценили вероятность повторного заражения коронавирусами SARS-CoV, HCoV-229E, HCoV-OC43, HCoV-NL63 и особенно SARS-CoV- 2.

Вчера, 18:54
Мария Азарова

Ученые получили снимок планеты 2M0437b, которая сформировалась не более пяти миллионов лет назад и до сих пор остается чрезвычайно горячей.

3 часа назад
Мария Азарова

В Великобритании провели крупное популяционное исследование с участием более 32 миллионов человек. Авторы работы изучили неврологические осложнения, связанные с вакцинами ChAdOx1nCoV-19 и BNT162b2, а также после самого Covid-19.

7 часов назад
Мария Азарова

Американские исследователи оценили вероятность повторного заражения коронавирусами SARS-CoV, HCoV-229E, HCoV-OC43, HCoV-NL63 и особенно SARS-CoV- 2.

22 октября
Ольга Иванова

Американские исследователи пришли к выводу, что человеческий мозг уменьшился из-за процессов глобализации, кооперации и разделения труда.

22 октября
Александр Березин

Повелители тундростепей Евразийского континента, оказывается, вовсе не вымерли с концом ледникового периода. Вопреки тому, что считалось ранее, они выжили — как минимум на Таймыре и как минимум до 1900 года до нашей эры. А это на много веков позже постройки пирамиды Хеопса. Получается, человек не привел мамонта к вымиранию? Или, напротив, нашел затерянные на Таймыре остатки вида и уничтожил их совсем недавно? Это сложный вопрос, от которого зависит ответ на другой: могут ли слоны заселить Север России и в наши дни?

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: