研究人員在有前途的計算機內存材料中發現了可預測的行為

在過去的幾年中，人們越來越多地研究了一類稱為反鐵電體的材料，因為它在現代計算機存儲設備中的潛在應用。研究表明，與傳統存儲器相比，基于反鐵電的存儲器可能具有更高的能源效率和更快的讀寫速度，以及其他吸引人的屬性。此外，可以表現出反鐵電行為的相同化合物已經集成到現有的半導體芯片制造工藝中。

現在，由佐治亞理工學院研究人員領導的一個團隊在被稱為二氧化鋯或氧化鋯的反鐵電材料中發現了出人意料的熟悉行為。他們表明，隨著材料的微觀結構尺寸減小，它的行為類似于被更好理解的稱為鐵電體的材料。該研究結果最近發表在《先進電子材料》雜志上。

在過去的五十年中，電路的小型化在提高存儲器性能方面發揮了關鍵作用。了解反鐵電的特性如何隨著尺寸的縮小而變化，應該能夠設計出更有效的存儲器組件。

研究人員還指出，除了記憶之外，這些發現還應該對許多其他領域產生影響。

“反鐵電體具有一系列獨特的特性，如高可靠性、高耐壓性和寬廣的工作溫度，使其可用于各種不同的設備，包括高能量密度電容器、換能器和電光電路。”該論文的合著者、喬治亞理工大學伍德拉夫機械工程學院和材料科學與工程學院教授NazaninBassiri-Gharb說。“但很長一段時間以來，尺寸縮放效應在很大程度上都被忽視了。”

該論文的合著者、佐治亞州電氣與計算機工程學院和材料科學與工程學院的助理教授AsifKhan說：“您可以設計您的設備并使其更小，因為您可以準確了解材料的性能。”技術。“從我們的角度來看，它確實開辟了一個新的研究領域。”

持久的領域

反鐵電材料的定義特征是它對外部電場的特殊響應方式。這種響應結合了非鐵電材料和鐵電材料的特性，這在物理學和材料科學中得到了更深入的研究。

對于鐵電體，暴露于足夠強度的外部電場會使材料變得強烈極化，這是材料表現出自身內部電場的狀態。即使去除外部電場，這種極化仍然存在，類似于鐵釘如何被永久磁化。

鐵電材料的行為還取決于其尺寸。根據稱為Janovec-Kay-Dunn(JKD)定律的精確且可預測的定律，隨著材料樣品變得更薄，需要更強的電場來產生永久極化。

相比之下，對反鐵電體施加外部電場并不會導致材料極化——起初。然而，隨著外場強度的增加，反鐵電材料最終會轉變為鐵電相，此時極化突然開始。將反鐵電轉變為鐵電相所需的電場稱為臨界場。

尺寸縮放

在這項新工作中，研究人員發現氧化鋯反鐵電體也遵循JKD定律。然而，與鐵電體不同的是，材料的微觀結構起著關鍵作用。臨界場的強度在JKD模式中成比例，特別是與材料內稱為微晶的結構尺寸有關。對于較小的微晶尺寸，即使樣品的厚度保持不變，也需要更強的臨界場才能將反鐵電材料轉變為鐵電相。

“在這些反鐵電氧化物器件的小型化過程中，還沒有一種預測定律來規定開關電壓將如何變化，”Khan說。“我們發現了舊法律的新變化。”

研究人員說，以前，薄的反鐵電體很難生產出與鐵電體相當的尺寸。據Khan稱，領導這項研究的博士生NujhatTasneem在實驗室“日夜”，以加工和生產單納米尺寸的無泄漏反鐵電氧化鋯薄膜。根據Khan的說法，下一步是讓研究人員確切地弄清楚如何控制微晶尺寸，從而調整材料的特性以用于電路中。

研究人員還與捷克共和國查爾斯大學和智利安德烈斯貝洛大學的研究人員合作，分別進行X射線衍射表征和基于第一性原理的計算。

“這確實是一項跨越多個的協作努力，”Tasneem說。

根據Bassiri-Gharb的說法，結果還應該涉及基本的物理問題。近年來，在反鐵電體的研究中出現了一些謎團，微觀晶體結構導致宏觀極化的方式受到質疑。

“發現兩種截然不同的材料——具有不同原子結構的鐵電材料和反鐵電材料——遵循相似的行為和規律是特別令人興奮的，”Bassiri-Gharb說。“它為尋找更多相似之處和在各個領域傳遞更多知識打開了大門。”