Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. estudió el comportamiento del óxido de hafnio, o hafnio, por su potencial para su uso en nuevas aplicaciones de semiconductores. Los científicos que estudian el potencial del hafnio para su uso en aplicaciones de semiconductores descubrieron que su comportamiento puede verse afectado por la atmósfera circundante. Sus hallazgos ofrecen buenas implicaciones para la futura tecnología de la memoria.

Utilizando microscopía de fuerza atómica de vacío ultraalto en el Centro Científico de Nanomateriales DOE en ORNL, los investigadores han descubierto una transición de fase ferroeléctrica inducida por el entorno única en el óxido de circonio-hafnio, un material importante para el desarrollo de semiconductores avanzados. Fuente: Arthur Baddorf/ORNL, Departamento de Energía

Materiales como el hafnio son ferroeléctricos, lo que significa que pueden almacenar datos durante largos períodos de tiempo incluso sin energía. Estas propiedades sugieren que estos materiales pueden ser clave para el desarrollo de nuevas tecnologías de memoria no volátil. Las aplicaciones innovadoras de memoria no volátil aliviarán el calor generado por la transferencia continua de datos a la memoria a corto plazo, allanando el camino para la creación de sistemas informáticos más grandes y más rápidos.

Comprender el comportamiento eléctrico de la hafnia.

Los científicos exploraron si la atmósfera afecta la capacidad de la hafnia para cambiar la disposición de su carga interna en respuesta a campos eléctricos externos. El propósito es explicar una serie de fenómenos inusuales descubiertos en la investigación de Xiafu. Los hallazgos del equipo de investigación se publicaron recientemente en la revista Nature Materials.

"Finalmente demostramos que el comportamiento ferroeléctrico en estos sistemas está acoplado a la superficie y puede ajustarse cambiando el entorno atmosférico circundante. Hasta ahora, cómo funcionan estos sistemas ha sido una cuestión de especulación, una hipótesis basada en numerosas observaciones de nuestro grupo y de múltiples grupos en todo el mundo", dijo Kyle Kelley, investigador del Centro de Ciencia de Nanomateriales de ORNL. CNMS es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. Kelly colaboró ​​con Sergey Kalinin de la Universidad de Tennessee, Knoxville, quien realizó los experimentos y concibió el proyecto.

Aplicaciones de capa superficial y memoria.

A menudo, los materiales utilizados en aplicaciones de memoria tienen una superficie o capa muerta que afecta la capacidad del material para almacenar información. Cuando un material se reduce a unos pocos nanómetros de espesor, los efectos de la capa muerta se vuelven lo suficientemente severos como para impedir por completo sus propiedades funcionales. Al ajustar el comportamiento de la capa superficial, en hafnia, esto permite que el material pase del estado antiferroeléctrico al ferroeléctrico.

"En última instancia, estos hallazgos proporcionan una vía para el modelado predictivo y la ingeniería de dispositivos de hafnio, algo que se necesita con urgencia dada la importancia de este material en la industria de los semiconductores", dijo Kelley.

Los modelos predictivos permiten a los científicos utilizar investigaciones previas para estimar las propiedades y el comportamiento de sistemas desconocidos. La investigación dirigida por Kelley y Kalinin se centró en aleaciones de hafnia mezcladas con circonita, un material cerámico. Sin embargo, investigaciones futuras podrían utilizar estos hallazgos para predecir cómo se comporta el dióxido de hafnio cuando se alea con otros elementos.

Métodos de investigación y colaboración.

Esta investigación se basó en la microscopía de fuerza atómica dentro de una caja de guantes y en condiciones ambientales, así como en la microscopía de fuerza atómica de vacío ultra alto, métodos que el CNMS puede proporcionar.

"Utilizando las capacidades únicas del CNMS, podemos realizar este tipo de trabajo", afirmó Kelly. "Básicamente cambiamos el entorno desde la atmósfera ambiente hasta el vacío ultra alto. En otras palabras, eliminamos todos los gases de la atmósfera en un grado insignificante y luego medimos esas reacciones, lo cual es muy difícil de hacer".

Los miembros del equipo de la Instalación de Caracterización de Materiales de la Universidad Carnegie Mellon desempeñaron un papel clave en la investigación al proporcionar caracterización por microscopía electrónica, y colaboradores de la Universidad de Virginia lideraron los esfuerzos de optimización y desarrollo de materiales.

Liu Yongtao (investigador del CNMS) de ORNL realizó mediciones de microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica ambiental. La teoría del modelo que respalda este proyecto de investigación es el resultado de una investigación colaborativa a largo plazo entre Kalinin y Anna Morozovska del Instituto de Física de la Academia Nacional de Ciencias de Ucrania.

Perspectivas del equipo

"He estado colaborando con colegas en Kiev en física y química ferroeléctrica durante casi 20 años", dijo Kalinin. "Gran parte del trabajo de este artículo lo hicieron casi en la primera línea de la guerra en ese país. Estas personas han estado realizando investigaciones científicas en condiciones que la mayoría de nosotros ni siquiera podemos imaginar".

El equipo espera que sus hallazgos inspiren nuevas investigaciones que exploren específicamente el papel de la electroquímica interfacial y de superficie controlada: la relación entre reacciones eléctricas y químicas.