Ведущий автор исследования, старший научный сотрудник лаборатории нейровычислительных систем МФТИ, к.ф.-м.н. Анастасия Чуприк и команда молодых учёных, участвовавших в работе (слева направо: Роман Киртаев, Сергей Зарубин, Максим Спиридонов, к.ф.-м.н. Анна Черникова). Фотограф: Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ
Физики из МФТИ детально описали процесс переключения электрической поляризации оксида гафния, на основе которого многие исследователи предлагают делать запоминающие ячейки для компьютерных устройств нового поколения. На страницах журнала ACS Applied Materials and Interfaces учёные представили данные о поведении этого перспективного материала на микроскопическом уровне.
Вещество со структурной формулой Hf0.5Zr0.5O2, которому посвящена статья специалистов МФТИ совместно с сотрудниками университета Небраски, — сегнетоэлектрик. Это значит, что в электрическом поле часть электронов смещается в сторону, создавая заряженный участок, — и даже если поле исчезнет, этот заряд останется на месте. Сегнетоэлектрики остаются поляризованными так же, как магниты (ферромагнетики) продолжают быть намагниченными: это очень ценное свойство, позволяющее, например, создавать микроскопические ячейки для компьютерной памяти.
Экспериментальная установка, схема. Сверху — острая игла, при помощи которой физики определяли поляризацию сегнетоэлектрического материала; далее идет «бутерброд» из проводника, изолятора, оксида гафния и снова проводника на кремниевой подложке: эти слои образуют плоский электрический конденсатор. Красные линии схематически показывают электрические проводники, подключённые к образцу. Дизайнер: Елена Хавина, пресс-служба МФТИ
Оксид гафния интересен также тем, что он, в отличие от многих «модных» материалов вроде графена или углеродных нанотрубок, уже применяется в микроэлектронной промышленности, например, в процессорах Intel. Свои сегнетооэлектрические свойства оксид гафния проявляет только в очень тонких (от 5 до 20 нанометров) пленках, получить которые можно, например, методом атомно-слоевого осаждения.
«Этот метод, применявшийся и в нашем исследовании, — рассказывает Анастасия Чуприк, старший научный сотрудник лаборатории нейровычислительных систем МФТИ, — позволяет получать конформные, то есть однородные по толщине, плёнки. Он очень интересен с точки зрения микроэлектроники, так как помимо производства уже выпускающихся устройств может быть использован в перспективных задачах вроде трёхмерной микроэлектроники».
Технологичность в сочетании с сегнетоэлектрическими свойствами были бесспорными плюсами, а вот минусом являлось отсутствие внятного представления о том, как именно переполяризуется материал, что же именно при этом с ним происходит. Изучить микроскопическую структуру оксида гафния непосредственно внутри плоского конденсатора (по сути — будущей ячейки памяти) удалось при помощи разновидности атомно-силового микроскопа — прибора, который не осматривал, а скорее «ощупывал» образец.
Анастасия Чуприк добавляет: «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».
Полученные в ходе экспериментов данные впервые позволили показать существование у оксида гафния доменов, то есть микроскопических участков сегнетоэлектрика с определенной 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.
Кроме того, ученые подтвердили перестройку кристаллической решетки оксида гафния в результате воздействия электрического поля. При перезарядке конденсаторов элементарные ячейки решетки 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.
«Несмотря на то, что оксид гафния уже используется в микроэлектронике и его достаточно легко применить для производства энергонезависимой памяти, природа его сегнетоэлектрических свойств остается неясной. Наша работа стала шагом вперед на пути к осознанному проектированию будущих устройств: зная свойства материала и чем они обусловлены, инженеры смогут оптимизировать ячейки памяти, делая их более компактными, технологичными и надежными», — говорит Анастасия Чуприк.
