氧迁移使纳米级铁电成为可能

厚度仅为几纳米的铪基薄膜表现出非常规形式的铁电性。这允许构建纳米尺寸的存储器或逻辑器件。然而，目前尚不清楚铁电性如何以这种规模发生。由格罗宁根大学科学家领导的一项研究展示了原子如何在基于铪的电容器中移动：迁移的氧原子(或空位)负责观察到的电荷切换和存储。该结果于 4 月 15 日由《科学》杂志在线发表，为新的铁电材料指明了道路。

铁电材料表现出自发极化，可以使用电场反转或切换。它用于非易失性存储器或逻辑器件的构造。这些材料的一个缺点是，当晶体的尺寸减小到某个限度以下时，铁电特性就会丧失。然而，几年前，研究人员提出铪基氧化物可以在纳米尺度上表现出铁电性。

显微镜

2018 年，由格罗宁根大学功能纳米材料教授 Beatriz Noheda 领导的团队证实了氧化铪的这些特殊性质。“然而，我们并不确切知道这种铁电性是如何发生的，”她说。“我们知道这些铪薄膜的机制是不同的。由于铁电转换是在原子尺度上发生的，我们决定研究这种材料的原子结构如何响应电场，两者都使用强大的 X - 位于隆德的 MAX-IV 同步加速器的射线源和我们位于格罗宁根的强大电子显微镜。”

该大学在 Zernike Institute for Advanced Materials 的电子显微镜中心设有最先进的电子显微镜，科学论文的合著者 Bart Kooi 小组成功地对周期性中最轻的原子进行了成像。表——氢——在 2020 年首次出现。这是第一作者 Pavan Nukala 的用武之地。他曾在格罗宁根大学担任玛丽居里研究员，拥有电子显微镜和材料科学的背景，尤其是在这些铁电铪方面系统。

氧

然而，如果用于原子成像的样品的制备很棘手，那么在原位在设备上施加电场的需要会增加几个数量级的难度。幸运的是，大约在同一时间，Majid Ahmadi(原位实验大师)加入了 Kooi 的团队。“我们所有人都非常相信，如果有一个地方可以在原子尺度上原位观察铪的转换，那就是在 ZIAM电子显微镜中心。它受益于正确的材料专业知识的独特组合科学、显微镜和基础设施，”Noheda 解释说。

Ahmadi 和 Nukala 开发了使用聚焦离子束设施构建基于铪的电子透明电容器的适当协议。“我们对两个电极之间的铪-锆氧化物的原子晶格进行了成像，包括轻氧原子，”Nukala 解释说。“人们认为铪中的氧原子位移会引起极化。因此，任何显微镜只有在可以对氧进行成像并且我们拥有精确工具的情况下才有意义。然后我们向电容器施加外部电压并观察原子的变化即时的。” 这种在电子显微镜内对氧原子直接成像的原位实验从未进行过。

移民

“我们观察到的一个重要特征是氧原子移动，”Nukala 解释说。“它们随着电极之间的电场通过铪层充电和迁移。这种可逆的电荷传输使铁电成为可能。” Noheda 补充道：“这是一个很大的惊喜。”

晶胞内皮米级的原子位置也有小幅变化，但氧从一侧迁移到另一侧对器件响应的总体影响要大得多。这一发现为可用于纳米级存储和逻辑设备的新材料铺平了道路。“基于铪的铁电存储器已经投入生产，尽管其行为背后的机制尚不清楚，”Nukala 说。“我们现在已经开辟了通往新一代导氧、与硅相容的铁电材料的道路。”

Noheda 是格罗宁根认知系统和材料中心 CogniGron 的负责人，该中心为认知计算开发新材料，他可以看到新型铁电材料的有趣应用。“氧迁移比偶极子转换慢得多。在可以模拟脑细胞短期和长期记忆的记忆系统中，材料科学家目前试图用不同的材料制造混合系统，以结合这两种机制。“我们可以现在用同样的材料做。通过控制氧气运动，我们可以再次创造中间状态，就像你在神经元中发现的那样。”

缺陷

Nukala 现在是科学研究所的助理教授，他也对探索这种材料的压电或机电特性很感兴趣。“所有传统的铁电体也是压电的。这些新的无毒、对硅友好的铁电体怎么样?这里有机会探索它们在微机电系统中的潜力。”

最后，这种新材料的特性源于缺陷。“氧气只能通过，因为晶体结构内部存在氧空位，”Nukala 说。“事实上，你也可以描述这些空位的迁移会发生什么。这些结构缺陷是铁电行为的关键，并且通常赋予材料新的特性。”