Razotkrivanje tajni poluprovodnika nove generacije

Naučnici u nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge proučavali su potencijal hafnije u primjeni poluvodiča, otkrivajući da na njeno ponašanje može utjecati okolna atmosfera. Njihovi nalazi nude obećavajuće implikacije za buduće memorijske tehnologije.

Tim naučnika iz Nacionalne laboratorije Oak Ridge Ministarstva energetike istražio je ponašanje hafnijum oksida, ili hafnije, zbog njegovog potencijala za upotrebu u novim poluprovodničkim aplikacijama.

Materijali poput hafnije pokazuju feroelektričnost, što znači da mogu pohraniti podatke na duži period čak i bez napajanja. Takve karakteristike sugeriraju da bi ovi materijali mogli biti ključni u razvoju novih tehnologija nepromjenjive memorije. Inovativne aplikacije za nepromjenjivu memoriju će utrti put za stvaranje većih i bržih kompjuterskih sistema ublažavanjem topline koja se stvara od kontinuiranog prijenosa podataka u kratkoročnu memoriju.

Razumijevanje Hafnijinog električnog ponašanja

Naučnici su istraživali da li atmosfera igra ulogu u sposobnosti hafnije da promijeni svoj unutrašnji raspored električnog naboja kada se primjenjuje vanjsko električno polje. Cilj je bio objasniti niz neobičnih pojava koje su dobijene u istraživanju hafnije. Nalazi tima nedavno su objavljeni u časopisu Prirodni materijali.

“Uvjerljivo smo dokazali da je feroelektrično ponašanje u ovim sistemima povezano s površinom i da se može podesiti promjenom okolne atmosfere. Ranije je rad ovih sistema bio spekulacija, hipoteza zasnovana na velikom broju zapažanja kako naše grupe tako i više grupa širom svijeta”, rekao je Kyle Kelley iz ORNL-a, istraživač iz Centra za nanofazne materijale. CNMS je korisnički objekat DOE Office of Science.

Kelley je izveo eksperimente i zamislio projekat u saradnji sa Sergejem Kalininom sa Univerziteta Tennessee, Knoxville.

Površinski sloj i aplikacija za memoriju

Materijali koji se obično koriste u memorijskim aplikacijama imaju površinski ili mrtvi sloj koji ometa sposobnost materijala da pohranjuje informacije. Kako se materijali smanjuju na samo nekoliko nanometara debljine, efekat mrtvog sloja postaje dovoljno ekstreman da potpuno zaustavi funkcionalna svojstva. Promjenom atmosfere, naučnici su uspjeli podesiti ponašanje površinskog sloja, koji je, u hafniji, preveo materijal iz antiferoelektričnog u feroelektrično stanje.

“Na kraju, ovi nalazi pružaju put za prediktivno modeliranje i inženjering uređaja hafnije, što je hitno potrebno, s obzirom na važnost ovog materijala u industriji poluvodiča”, rekao je Kelley.

Prediktivno modeliranje omogućava naučnicima da koriste prethodna istraživanja kako bi procijenili svojstva i ponašanje nepoznatog sistema. Studija koju su vodili Kelley i Kalinin fokusirala se na hafniju legiranu ili pomiješanu s cirkonijumom, keramičkim materijalom. Međutim, buduća istraživanja bi mogla primijeniti nalaze kako bi se predvidjelo kako se hafnija može ponašati kada je legirana s drugim elementima.

Metode istraživanja i saradnja

Istraživanje se oslanjalo na mikroskopiju atomske sile kako unutar pretinca za rukavice tako iu ambijentalnim uslovima, kao i mikroskopiju atomske sile ultravisokog vakuuma, metode dostupne u CNMS.

„Upotreba jedinstvenih CNMS mogućnosti omogućila nam je ovu vrstu posla“, rekao je Kelley. “U osnovi smo promijenili okruženje sve od ambijentalne atmosfere do ultravisokog vakuuma. Drugim riječima, uklonili smo sve plinove u atmosferi do zanemarljivih nivoa i izmjerili ove reakcije, što je izuzetno teško izvodljivo.”

Članovi tima iz ustanove za karakterizaciju materijala na Univerzitetu Carnegie Mellon odigrali su ključnu ulogu u istraživanju pružajući karakterizaciju pomoću elektronske mikroskopije, a saradnici sa Univerziteta Virdžinija vodili su razvoj i optimizaciju materijala.

Yongtao Liu iz ORNL-a, istraživač sa CNMS-a, izveo je mjerenja ambijentalne sile piezorezivnog mikroskopa.

Teorija modela koja je podržala ovaj istraživački projekat rezultat je dugog istraživačkog partnerstva između Kalinjina i Ane Morozovske na Institutu za fiziku Nacionalne akademije nauka Ukrajine.

Uvidi iz tima

„Sa svojim kolegama u Kijevu radim na fizici i hemiji feroelektrika skoro 20 godina“, rekao je Kalinjin. “Učinili su mnogo za ovaj list dok su bili skoro na prvoj liniji rata u toj zemlji. Ovi ljudi nastavljaju da se bave naukom u uslovima koje većina nas ne može zamisliti.”

Tim se nada da će ono što su otkrili potaknuti nova istraživanja specifična za istraživanje uloge kontrolisane elektrohemije površine i interfejsa – odnosa između električne energije i hemijskih reakcija – u performansama računarskog uređaja.

„Buduće studije mogu proširiti ovo znanje na druge sisteme kako bi nam pomogli da shvatimo kako interfejs utiče na svojstva uređaja, što će, nadamo se, biti na dobar način“, rekao je Kelley. „Uobičajeno, sučelje ubija vaša feroelektrična svojstva kada se skalira na ove debljine. U ovom slučaju, pokazao nam je prijelaz iz jednog materijalnog stanja u drugo.”

Kalinin je dodao: „Tradicionalno smo istraživali površine na atomskom nivou kako bismo razumjeli fenomene kao što su hemijska reaktivnost i kataliza, ili modifikacija brzine hemijske reakcije. Istovremeno, u tradicionalnoj tehnologiji poluvodiča, naš cilj je bio samo da površine održe čiste od zagađivača. Naše studije pokazuju da su, zapravo, ove dvije oblasti – površina i elektrohemija – povezane. Možemo koristiti površine ovih materijala za podešavanje njihovih funkcionalnih svojstava.”

Naslov rada je “Feroelektricitet u hafniji kontrolisan preko površinskog elektrohemijskog stanja.”

Referenca: “Feroelektricitet u hafniji kontrolisan preko površinskog elektrohemijskog stanja” od Kyle P. Kelley, Anna N. Morozovska, Eugene A. Eliseev, Yongtao Liu, Shelby S. Fields, Samantha T. Jaszewski, Takanori Mimura, Sebastian C. Calderon, Elizabeth C. Calderon, Dickey, Jon F. Ihlefeld i Sergei V. Kalinjin, 14. avgusta 2023., Prirodni materijali.
DOI: 10.1038/s41563-023-01619-9

Ovo istraživanje je podržano u sklopu Centra za 3D feroelektričnu mikroelektroniku, Centra za istraživanje na granicama energetike koji je finansiran od strane DOE-ovog Ureda za nauku, program osnovnih energetskih znanosti, a djelomično je izvedeno kao prijedlog korisnika u CNMS-u.