Работа, которую проводят исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли) и Корнельского университета, описана в исследовании, которое будет опубликовано 22 сентября в журнале Nature.Исследователи разработали тонкие пленки атомарной точности из гексагонального оксида железа лютеция (LuFeO3), материала, известного как прочный сегнетоэлектрик, но не обладающий сильной магнитностью. Оксид железа лютеция состоит из чередующихся одинарных монослоев оксида лютеция и одинарных монослоев оксида железа и отличается от сильного ферримагнитного оксида, который состоит из чередующихся монослоев оксида лютеция с двойными монослоями оксида железа (LuFe2O4).Исследователи обнаружили, что, осторожно добавляя один дополнительный монослой оксида железа к каждым 10 атомным повторам однослойного рисунка, они могут резко изменить свойства материала и создать сильно ферримагнитный слой около комнатной температуры.
Затем они протестировали новый материал, чтобы показать, что ферримагнитные атомы следуют выравниванию своих сегнетоэлектрических соседей при переключении под действием электрического поля.Они делали это при температурах от 200 до 300 кельвинов (от минус 100 до 80 градусов по Фаренгейту), что было относительно мягко по сравнению с другими такими мультиферроиками, которые обычно работают при гораздо более низких температурах.
«Разработка материалов, которые могут работать при комнатной температуре, делает их жизнеспособными кандидатами для современной электроники», — сказала со-ведущий автор исследования Джулия Манди, научный сотрудник Университета Калифорнии и член лаборатории Беркли. «Созданный нами мультиферроик — важный шаг к достижению этой цели».За последнее десятилетие исследователи все чаще искали альтернативы электронике на основе полупроводников, поскольку увеличение скорости и плотности микропроцессоров происходит за счет повышения требований к электричеству и более горячих схем.«Если вы посмотрите на это в широком смысле, то около 5 процентов нашего общего мирового потребления энергии тратится на электронику», — сказал соавтор исследования Рамамурти Рамеш, заместитель директора лаборатории по энергетическим технологиям лаборатории Беркли и профессор материаловедения Калифорнийского университета в Беркли. и техники и физики. «Это самый быстрорастущий потребитель энергии в мире.
Интернет вещей ведет к повсеместной установке электронных устройств. Согласно прогнозам, к 2030 году потребление энергии в мире на микроэлектронику составит 40-50 процентов, если мы продолжим работать в том же темпе и если это произойдет. не является значительным достижением в этой области, которое привело бы к снижению энергопотребления ».
Основной путь к снижению энергопотребления — использование ферроидов. Ключевые преимущества сегнетоэлектриков включают их обратимую поляризацию в ответ на электрические поля малой мощности и их способность сохранять свое поляризованное состояние без необходимости постоянного питания. Общие примеры сегнетоэлектрических материалов включают транзитные карты и, в последнее время, микросхемы памяти.Ферромагнетики и ферримагнетики имеют схожие характеристики, реагируют на магнитные поля и используются в жестких дисках и датчиках.
Объединение сегнетоэлектрических и ферримагнитных материалов в одну мультиферроиковую пленку позволит использовать преимущества обеих систем, открывая широкий спектр приложений памяти с минимальными требованиями к питанию. Однако это был непростой брак, потому что силы, необходимые для выравнивания одного типа материала, не работают для другого. Поляризация сегнетоэлектрического материала не повлияет на ферримагнитный.
Манди начала решать эту задачу по созданию жизнеспособного мультиферроика, когда она была аспирантом Корнельского университета в лаборатории Даррелла Шлома, профессора материаловедения и инженерии и ведущего эксперта в молекулярно-лучевой эпитаксии. Сверхточная техника — то, что Шлом сравнивает с окраской атомным распылением — позволила исследователям спроектировать и собрать два разных материала атом за атомом, слой за слоем. Они намеренно поместили оксид железа лютеция с чередующимися двойными слоями оксида железа (LuFe2O4) рядом с оксидом железа лютеция с чередующимися однослойными слоями оксида железа (LuFeO3), и это расположение привело к тому, что ферримагнитные атомы переместились вместе с сегнетоэлектриком. единицы.
Чтобы показать, что эта связь работает на атомном уровне, исследователи взяли мультиферроичную пленку, созданную в Корнелле, в Advanced Light Source (ALS) лаборатории Беркли. Там у них было оборудование и опыт для тестирования материала и получения изображений результата с помощью фотоэмиссионной электронной микроскопии.
Работая со штатными учеными Андреасом Шоллем и Эльке Аренхольц из ALS, они использовали 5-вольтовый зонд атомного силового микроскопа, чтобы переключать поляризацию сегнетоэлектрического материала вверх и вниз, создавая геометрический узор из концентрических квадратов. Затем они показали, что ферримагнитные области в слоистом образце демонстрируют ту же картину, даже несмотря на то, что магнитное поле не использовалось. Направление контролировалось электрическим полем, создаваемым зондом.
«Когда наши сотрудники из лаборатории Беркли продемонстрировали электрический контроль магнетизма в материале, который мы создали, все стало супер захватывающим!» сказал Шлом в Корнелле. «Мультиферроики при комнатной температуре встречаются редко. Включая наш новый материал, всего известно четыре, но был известен только один мультиферроик при комнатной температуре, в котором магнетизм можно было контролировать электрически.
Наша работа показывает, что в этом новом материале действует совершенно другой механизм. материал, вселяющий надежду на еще лучшие — более высокие температуры и более сильные — проявления в будущем ».Затем исследователи планируют изучить стратегии снижения порога напряжения для влияния на направление поляризации. Это включает в себя эксперименты с различными субстратами для создания новых материалов.«Мы хотим показать, что это работает как при полувольте, так и при 5 вольтах», — сказал Рамеш. «Мы также хотим сделать работающее устройство с мультиферроиком».
Хена Дас, приглашенный научный сотрудник лаборатории Беркли и младший специалист Калифорнийского университета в Беркли, является еще одним соавтором исследования. Дас начал работу в качестве постдокторанта в Корнельском университете и является ведущим теоретиком исследования.Управление науки Министерства энергетики США помогло поддержать эту работу.
ALS — это учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.