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.

3 720

Выбор редакции

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

 

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

 

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.

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
100Статей
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
3 720
Комментарии
Аватар пользователя Анатолий Еремин
14 мин
Сдается мне, что пока человечество не научится...
Аватар пользователя Николай Брилёв
48 мин
Будет как в Пасынках вселенной Роберта Хайнлайна.
Аватар пользователя Виктор Зубков
12 ч
Кстати, в работе “Measurement of Impulsive Thrust from...

Колумнисты

Физтех
100Статей
Сколтех
37Статей
Discovery Channel
29Статей
СО РАН
7Статей
Комментарии

Plain text

  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Разрешённые HTML-теги: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <br> <iframe> <embed> <br/>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Comment text

  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Разрешённые HTML-теги: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <br> <br/>

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку