Ученые МФТИ совместно с коллегами из университета Небраски описали поведение на микроскопическом уровне оксида гафния - перспективного материала для запоминающих ячеек памяти компьютеров нового поколения. Статья об исследовании опубликована в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, популярно о нем рассказывается в поступившем редакцию пресс-релизе МФТИ.

Оксид гафния относится к сегнетоэлектрикам - веществам, которые обладают и качествами диэлектриков, и в то же самое время спонтанной поляризацией: в материале на определенных участках часть электронов смещается в сторону, создавая заряженный участок. Как правило, они возникают при определенной температуре, и остаются заряженными даже при отсутствии внешнего электрического поля. Это свойство позволяет, например, создавать микроскопические ячейки для компьютерной памяти.



Оксид гафния проявляет свои сегнетооэлектрические свойства только в очень тонких (от 5 до 20 нанометров) плёнках, получить которые можно, например, методом атомно-слоевого осаждения. Именно этот методику использовали ученые. Как поясняется в пресс-релизе, позволяет получать конформные, то есть однородные по толщине плёнки. По словам ученых, этот материал очень интересен с точки зрения микроэлектроники, так как, помимо производства уже выпускающихся устройств, он может быть использован в перспективных научных задачах - например, в трёхмерной микроэлектронике.

Для выявления процессов, происходящих с оксидом гафния при переполяризации на микроскопическом уровне, ученые использовали метод атомно-силовой микроскопии.

«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», - пояснила ведущий автор исследования, старший научный сотрудник лаборатории нейровычислительных систем МФТИ Анастасия Чуприк.

Полученные в ходе экспериментов данные впервые позволили показать существование у оксида гафния доменов, то есть микроскопических участков сегнетоэлектрика с определённой поляризацией. Игла микроскопа, попадая на такие участки, по-разному отклонялась из-за изменений электрического поля, и это позволяло выявить границы доменов с точностью до нескольких нанометров.

Также учёные подтвердили, что в результате воздействия электрического поля кристаллическая решётка оксида гафния перестраивается. При перезарядке конденсаторов элементарные ячейки решётки 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 этой гипотезы физикам недоставало информации.