Une équipe de scientifiques du Laboratoire national d'Oak Ridge du Département américain de l'énergie a étudié le comportement de l'oxyde d'hafnium, ou hafnium, pour son potentiel d'utilisation dans de nouvelles applications de semi-conducteurs. Les scientifiques étudiant le potentiel d'utilisation du hafnium dans les applications de semi-conducteurs ont découvert que son comportement peut être affecté par l'atmosphère environnante. Leurs résultats offrent de bonnes implications pour la future technologie de mémoire.
En utilisant la microscopie à force atomique sous vide ultra poussé au Centre scientifique des nanomatériaux du DOE à l'ORNL, les chercheurs ont découvert une transition de phase ferroélectrique unique induite par l'environnement dans l'oxyde de zirconium-hafnium, un matériau important pour le développement de semi-conducteurs avancés. Source : Arthur Baddorf/ORNL, ministère de l'Énergie
Des matériaux comme le hafnium sont ferroélectriques, ce qui signifie qu’ils peuvent stocker des données pendant de longues périodes, même sans alimentation. Ces propriétés suggèrent que ces matériaux pourraient jouer un rôle clé dans le développement de nouvelles technologies de mémoire non volatile. Les applications innovantes de mémoire non volatile atténueront la chaleur générée par le transfert continu de données vers la mémoire à court terme, ouvrant ainsi la voie à la création de systèmes informatiques plus grands et plus rapides.
Comprendre le comportement électrique de la hafnia
Les scientifiques ont étudié si l'atmosphère affectait la capacité de Hafnia à modifier sa disposition de charge interne en réponse aux champs électriques externes. Le but est d'expliquer une série de phénomènes inhabituels découverts lors des recherches sur Xiafu. Les résultats de l'équipe de recherche ont été récemment publiés dans la revue Nature Materials.
"Nous montrons enfin que le comportement ferroélectrique de ces systèmes est couplé à la surface et peut être ajusté en modifiant l'environnement atmosphérique environnant. Jusqu'à présent, le fonctionnement de ces systèmes était une question de spéculation, une hypothèse basée sur de nombreuses observations de notre groupe et de plusieurs groupes à travers le monde", a déclaré Kyle Kelley, chercheur au Centre pour la science des nanomatériaux de l'ORNL. CNMS est une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie. Kelly a collaboré avec Sergey Kalinin de l'Université du Tennessee à Knoxville, qui a mené les expériences et conçu le projet.
Applications de couche de surface et de mémoire
Souvent, les matériaux utilisés dans les applications de mémoire ont une surface ou une couche morte qui affecte la capacité du matériau à stocker des informations. Lorsqu’un matériau est réduit à quelques nanomètres d’épaisseur seulement, les effets de la couche morte deviennent suffisamment graves pour empêcher complètement ses propriétés fonctionnelles. En ajustant le comportement de la couche superficielle, en hafnia, cela permet au matériau de passer de l'état antiferroélectrique à l'état ferroélectrique.
"En fin de compte, ces résultats ouvrent la voie à la modélisation prédictive et à l'ingénierie des dispositifs du hafnium, ce qui est nécessaire de toute urgence étant donné l'importance de ce matériau dans l'industrie des semi-conducteurs", a déclaré Kelley.
La modélisation prédictive permet aux scientifiques d'utiliser des recherches antérieures pour estimer les propriétés et le comportement de systèmes inconnus. Les recherches menées par Kelley et Kalinin se sont concentrées sur les alliages d'hafnia mélangés à de la zircone, un matériau céramique. Cependant, des recherches futures pourraient utiliser ces résultats pour prédire le comportement du dioxyde de hafnium lorsqu’il est allié à d’autres éléments.
Méthodes de recherche et collaboration
Cette recherche s’est appuyée sur la microscopie à force atomique en boîte à gants et dans des conditions ambiantes, ainsi que sur la microscopie à force atomique sous ultravide, méthodes que le CNMS peut fournir.
"Grâce aux capacités uniques du CNMS, nous sommes en mesure d'effectuer ce type de travail", a déclaré Kelly. "En gros, nous modifions l'environnement de l'atmosphère ambiante jusqu'à l'ultra-vide. En d'autres termes, nous éliminons tous les gaz de l'atmosphère dans une mesure négligeable, puis mesurons ces réactions, ce qui est très difficile à faire."
Les membres de l'équipe du centre de caractérisation des matériaux de l'université Carnegie Mellon ont joué un rôle clé dans la recherche en fournissant une caractérisation par microscopie électronique, et des collaborateurs de l'université de Virginie ont dirigé les efforts de développement et d'optimisation des matériaux.
Liu Yongtao (chercheur du CNMS) de l'ORNL a effectué les mesures de microscopie à force de réponse piézoélectrique environnementale. La théorie modèle sur laquelle repose ce projet de recherche est le résultat d’une recherche collaborative à long terme entre Kalinin et Anna Morozovska de l’Institut de physique de l’Académie nationale des sciences d’Ukraine.
Aperçu de l'équipe
"Je collabore avec des collègues de Kiev en physique et chimie ferroélectriques depuis près de 20 ans", a déclaré Kalinin. "Ils ont réalisé une grande partie du travail sur ce document presque sur les lignes de front de la guerre dans ce pays. Ces personnes ont mené des recherches scientifiques dans des conditions que la plupart d'entre nous ne peuvent même pas imaginer."
L’équipe espère que leurs découvertes inspireront de nouvelles recherches explorant spécifiquement le rôle de l’électrochimie contrôlée des surfaces et des interfaces – la relation entre les réactions électriques et chimiques.