Pendant des années, la plupart des acteurs du domaine ont cru qu’un matériau connu sous le nom d’oxyde d’hafnium était le plus attrayant lorsqu’il ressemblait à un vitrail, son cristal déchiré par des frontières nanoscopiques qui formaient de minuscules fragments ou grains.
Un rendu au niveau atomique du matériau connu sous le nom d’oxyde d’hafnium, qui se compose d’un atome d’hafnium (blanc) pour deux oxygène (rouge). Contre des années de sagesse conventionnelle, les chercheurs de Husker ont montré que la propriété la plus attrayante sur le plan technologique du matériau peut émerger de conditions inattendues. Crédit image : Nature Materials / Springer Nature / UNL
Seul un surplus de petits grains, pensait-on, persuaderait l’oxyde d’hafnium de produire de la ferroélectricité : une volonté d’inverser la séparation verticale, ou polarisation, de ses charges négatives et positives – pour coder les 1 et les 0 des données numériques – en échange de un verre de tension. L’efficacité énergétique de ce codage de données et la capacité de conserver les 1 et les 0 même lorsqu’une source d’alimentation est tirée ont positionné les ferroélectriques comme l’oxyde d’hafnium comme des acteurs de premier plan dans la microélectronique de nouvelle génération.
Mais dans un nouveau Étude Nature Matériaux, une équipe dirigée par Xiaoshan Xu, Evgeny Tsymbal et Alexei Gruverman du Nebraska a montré que l’oxyde d’hafnium avait toujours été mal diagnostiqué – que les petits grains n’ont pas besoin de s’appliquer pour que sa ferroélectricité émerge. En fait, les chercheurs de Husker ont démontré que la croissance d’un cristal d’oxyde d’hafnium de meilleure qualité et à plus gros grains peut en fait générer une polarisation plus élevée et une ferroélectricité potentiellement plus fiable. La qualité du cristal, quant à elle, offre des informations plus précises sur comment et pourquoi cette ferroélectricité se produit.
« C’est un très grand pas en avant », a déclaré Gruverman, professeur de physique et d’astronomie à l’Université Charles Mach au Nebraska.
De nombreux matériaux, y compris l’oxyde d’hafnium, peuvent se comporter différemment selon les arrangements de leurs atomes et les types de symétrie que leurs molécules formant le réseau établissent à travers un cristal. Dans ses phases stables les plus courantes, l’oxyde d’hafnium ne produit aucune ferroélectricité. Une seule – sa phase orthorhombique ou O – peut rendre l’oxyde d’hafnium ferroélectrique.
Malheureusement pour les ingénieurs électriciens, la phase O est également moins stable, ce qui signifie qu’elle est susceptible de revenir à une autre, non ferroélectrique. Sur la base des résultats d’études antérieures, la plupart des scientifiques des matériaux étaient convaincus que seule une abondance de minuscules grains désordonnés pouvait verrouiller la phase O et, par extension, la ferroélectricité du matériau. Même alors, la polarisation résultante n’a jamais approché ce que prédisaient les simulations basées sur la théorie.
Les chercheurs du Nebraska soupçonnaient qu’une autre voie était possible. Ils ont commencé par faire pousser un film mince d’oxyde d’hafnium, contenant un soupçon d’yttrium, sur un matériau de base avec une symétrie soigneusement calibrée. Lorsqu’il est cultivé à la bonne température – environ 1 600 degrés Fahrenheit – le film d’oxyde d’hafnium a adopté ce que beaucoup pensaient impossible : un cristal de haute qualité avec de gros grains et une phase O stable et respectueuse de la ferroélectricité.
L’équipe a découvert que les valeurs de polarisation de ses échantillons à gros grains se maintenaient généralement même lorsque le matériau fini était soumis à de basses températures. Cela le distingue de ses prédécesseurs à grain plus petit, dont la polarisation a eu tendance à chuter, parfois jusqu’à trois fois, lors du passage de la température ambiante au gel.
Xu a déclaré qu’une telle baisse suggère que la ferroélectricité de l’oxyde d’hafnium de qualité inférieure et à grain plus petit ne provient pas du matériau lui-même, mais plutôt de ses défauts, ce qui pourrait expliquer la disparité entre les prédictions théoriques et les lectures réelles de sa polarisation. Tsymbal a convenu que sa ferroélectricité, ou un effet qui lui ressemble, peut provenir d’atomes d’oxygène qui quittent leurs places habituelles dans le réseau moléculaire du matériau.
Le fait que l’oxyde d’hafnium de qualité supérieure de l’équipe Husker ait maintenu sa polarisation même à des températures glaciales n’est qu’un des nombreux signes que sa ferroélectricité est une propriété intrinsèque du matériau lui-même. Et la cristallinité hautement préservée de ses échantillons permet à l’équipe de caractériser leur structure et leur comportement – en particulier leur ferroélectricité intrinsèque – d’une manière impossible avec des échantillons de qualité inférieure, dont les grains et les lacunes en oxygène peuvent sérieusement compliquer les analyses.
« Nous pouvons commencer à extraire une grande partie de cette propriété intrinsèque, car nous pouvons réaliser la cristallinité élevée et la ferroélectricité en même temps », a déclaré Xu, professeur agrégé de physique et d’astronomie.
La spécificité au niveau de l’atome de ces futures investigations devrait s’avérer particulièrement utile, selon l’équipe, pour surmonter les défis qui se dressent entre l’oxyde d’hafnium et une place dans la microélectronique. À l’heure actuelle, même les couches les plus minces du matériau exigent une bonne quantité de tension – plus que ce que la plupart des ingénieurs électriciens préféreraient – avant d’accepter d’inverser leur polarisation.
« En termes d’industrie, cela signifie simplement des coûts énergétiques plus élevés, nous voulons donc réduire cela », a déclaré Xu. « Mais auparavant, toutes les données étaient basées sur des échantillons de mauvaise qualité. Ce problème de haute tension peut ou non être intrinsèque, donc si nous suivons le travail que nous avons fait ici, il peut y avoir un moyen de contourner ou de résoudre ce problème.
« Nous voulons suivre cette voie pour résoudre quelques problèmes avant que l’oxyde d’hafnium ne soit vraiment appliqué dans les appareils. »
Selon les chercheurs, le fait que l’équipe soit allée aussi loin sur la route est à mettre au crédit de la fusion de ses trois voies d’expertise : les prouesses en matière de croissance de couches minces du groupe de Xu, le sens théorique de Tsymbal et la connaissance de la ferroélectricité. comment de Gruverman.
« Sans notre expertise complémentaire », a déclaré Xu, « cette découverte aurait été impossible ».
Selon Tsymbal, le dernier arrêt au stand de ce voyage de trois ans en valait la peine.
« Il y a eu beaucoup d’interactions et de nombreuses discussions avant d’arriver à cette conclusion », a-t-il déclaré. « C’était un long chemin à parcourir, mais c’était vraiment très gratifiant, car je pense que c’est une avancée significative pour la communauté. Cela change complètement la vision et la compréhension de ce matériau.
La source: Université du Nebraska-Lincoln
