Теперь Хироши Фунакубо и его сотрудники из Токийского технологического института в сотрудничестве с исследователями по всей Японии впервые провели эксперименты по определению сегнетоэлектрических свойств неорганического соединения, называемого оксидом гафния (HfO2). Важно отметить, что кристаллическая структура HfO2 позволяет осаждать его в ультратонких пленках, что означает, что он может оказаться неоценимым для технологий следующего поколения.Сегнетоэлектрические свойства зависят от формы и структуры используемого кристалла. Команда знала, что «ромбический» кристалл HfO2, вероятно, будет демонстрировать сегнетоэлектричество.
Команда Фунакубо хотела определить спонтанную поляризацию материала и температуру Кюри (точка, выше которой материал перестает быть сегнетоэлектрическим из-за реструктуризации кристалла). Для этого им нужно было вырастить тщательно упорядоченный кристалл на подложке, процесс, известный как эпитаксия, который дал бы им четко определенные данные в атомном масштабе.
Исследователи обнаружили, что одна конкретная эпитаксиальная пленка, обозначенная YHO-7, демонстрирует сегнетоэлектричество со спонтанной поляризацией 45 мкКл / см и температурой Кюри 450 ° C (см. Изображение).
Результаты экспериментов подтверждают более ранние предсказания, сделанные на основе расчетов из первых принципов.С научной и промышленной точки зрения температура Кюри 450 ° C представляет большой интерес, потому что это означает, что материал может выполнять функции для будущих технологий. В отличие от многих существующих сегнетоэлектрических материалов, новая тонкая пленка совместима с КМОП на основе кремния и отличается прочностью в миниатюрных формах.
ФонСегнетоэлектрические материалыСегнетоэлектрические материалы отличаются от других материалов, потому что их поляризация может быть обращена на обратное, приложив внешнее электрическое поле в направлении, противоположном существующей поляризации.
Это свойство проистекает из особой кристаллической структуры материалов. Сегнетоэлектрические материалы очень ценны для электроники следующего поколения. Хотя ряд сегнетоэлектрических материалов известен науке и уже используется в различных приложениях, их кристаллическая структура не позволяет уменьшить их до достаточно маленькой ультратонкой пленки для использования в миниатюрных устройствах.
Материал, используемый Фунакубо и его коллегами, оксид гафния (HfO2), ранее предсказывался как проявление сегнетоэлектрических свойств с помощью первых расчетов. Однако ни одна исследовательская группа не подтвердила и не проверила эти прогнозы с помощью экспериментов. Команда Фунакубо решила измерить свойства материала, когда он был нанесен в виде тонкопленочных кристаллов на подложку. Точная природа кристаллической структуры позволила исследователям впервые в полной мере определить свойства материала.
Их открытие особого эпитаксиального тонкопленочного кристалла HfO2, который проявляет сегнетоэлектричество ниже 450 ° C, будет иметь большое значение в этой области.Последствия текущего исследования
Команда Фунакубо надеется, что их новый тонкопленочный сегнетоэлектрический материал найдет применение в новой оперативной памяти и транзисторах, а также в квантовых вычислениях. Их материал также является первым сегнетоэлектрическим материалом, совместимым с полупроводниками на основе кремния (CMOS на основе Si).