Разработана энергонезависимая память на сегнетоэлектриках01.09.2021 12:03

Исследователи продемонстрировали сегнетоэлектричество в оксиде цинка-магния. Это позволит создать устройства хранения информации, потребляющие в разы меньше электроэнергии.

Сегнетоэлектрики — материалы, обладающие спонтанной поляризацией, ориентацию которой можно изменить, приложив внешнее электрическое поле. Такие вещества обладают сегнетоэлектрическим гистерезисом — это означает, что материал «помнит» предысторию действий: поляризация материала неоднозначно зависит от внешнего электрического поля. Более того, сегнетоэлектрики остаются в одном поляризованном состоянии без дополнительного питания и, следовательно, позволяют долго хранить информацию. 

Новые материалы изготовлены из тонких пленок оксида цинка, легированного магнием. Пленку вырастили методом вакуумного напыления — на мишень, содержащую магний и цинк, направляются ионы аргона, которые бьют по ней с достаточно высокой энергией, чтобы оторвать атомы. Освободившиеся атомы магния и цинка находятся в паровой фазе, пока не вступят в реакцию с химически активным газом, добавленным в среду — например, с кислородом, и не осядут на подложке из оксида алюминия, образуя тонкие пленки.

Исследователи легировали оксид цинка магнием в первую очередь для увеличения ширины запрещенной зоны оксида цинка. Для полупроводников это самый важный показатель. Правда, раньше такой материал не исследовали на предмет сегнетоэлектричества, но поведение материала даёт основания так полагать.

Процесс создания тонких пленок Materials Research Institute, Penn State

Слева: напыление тонких плёнок; В центре: петля гистерезиса, показывающая два состояния остаточной поляризации при нулевом электрическом поле (можно сказать, 0 и 1); Справа: изображение, полученное с помощью атомно-силового микроскопа, показывает мелкозернистую микроструктуру.

Дополнительное преимущество тонких пленок из оксида цинка-магния в том, что они могут осаждаться при гораздо более низких температурах, чем другие сегнетоэлектрические материалы — подавляющее большинство материалов изготавливается с помощью температур от 300 до 1000°C. Чем ниже температура, тем ниже шанс встретиться с нежелательной реакцией какого-нибудь из слоёв полупроводника и тем вероятнее получить хороший материал.

Исследователи планируют изготовить из этого материала конденсаторы толщиной 10 нанометров и от 20 до 30 нанометров в поперечнике.Это крайне непростая задача, и особенно она усложняется тем, что при напылении возможно получить дефекты плёнок. Кроме того, при разработке новых материалов хорошо бы выяснить, как они выходят из строя и понять, как смягчить механизмы отказа.

Исследование опубликовано в Journal of Applied Physics.