Команда фізиків з’ясувала, що звичайний титан(IV) оксид (TiO₂), відомий як типовий діелектрик, може стати фероїлектриком, якщо зменшити його товщину до атомного масштабу. Коли плівки TiO₂ ставали тоншими за 3 нанометри, матеріал проходив структурний перехід, порушував свою симетрію і набував перемикної електричної поляризації. Про це йдеться в роботі, описаній виданням Interesting Engineering.
Фероїлектрики — це матеріали, у яких поляризацію можна змінювати зовнішнім електричним полем. Вони працюють за відносно низьких напруг, тому є перспективними для енергоефективної пам’яті та логічних елементів. Зазвичай, коли фероїлектричні матеріали роблять дедалі тоншими, їхні фероїлектричні властивості слабшають або зовсім зникають, і інтегрувати такі надтонкі шари з кремнієвою електронікою складно.
Як діелектрик перетворили на фероїлектрик
Щоб обійти ці обмеження, дослідники запропонували інший підхід: замість того щоб «стискати» вже відомий фероїлектрик, вони перевірили, чи здатен звичайний нефероїлектричний матеріал стати фероїлектриком, якщо його зробити достатньо тонким.
Робота спирається на попередній результат команди 2020 року, коли вони продемонстрували фероїлектричне перемикання в плівці оксиду гафнію товщиною всього 1 нанометр, вирощеній безпосередньо на кремнії. Це наштовхнуло їх на пошук інших матеріалів, які могли б показувати корисну фероїлектричну поведінку на атомно тонких плівках.
Для нового експерименту дослідники обрали TiO₂ — поширений діелектрик у напівпровідникових технологіях та компонент пігментів і УФ-фільтрів. В об’ємному вигляді це «звичайний» діелектрик із цікавими фотофізичними властивостями, які використовують у сонцезахисних засобах та каталізаторах. Однак, як виявилося, на наномасштабі починається «незвичайна» фізика — матеріал стає фероїлектричним.
За допомогою методу атомно-шарового осадження команда отримала плівки TiO₂ товщиною від 1 до 10 нанометрів за температур менше ніж 400 °C. Їх вдалося сформувати як на кремнії, так і на аморфних підкладках, зокрема на діоксиді кремнію та вуглеці. Такі розміри особливо важливі на тлі мініатюризації транзисторів до масштабів менше 4 нанометрів.
Критична товщина у 3 нанометри
Різка зміна поведінки настала за товщини близько 3 нанометрів. На синхротроні Advanced Light Source у Берклі дослідники використали лінійно поляризоване рентгенівське випромінювання, щоб вивчити електронну структуру плівок. Товстіші зразки поглинали рентгенівські промені приблизно однаково в різних напрямках, що відповідало симетричній кристалічній структурі.
Коли ж товщина падала нижче 3 нанометрів, поглинання ставало залежним від напрямку, тобто з’являлася анізотропія, пов’язана з полярним спотворенням. Це свідчило про те, що структура втратила центр симетрії.
Щоб підтвердити розрив симетрії, у Центрі Molecular Foundry застосували генерацію другої гармоніки (second-harmonic generation, SHG). Інтенсивність сигналу SHG різко зросла для плівок тонше трьох нанометрів, ставши ще одним чітким маркером структурного переходу. Дослідники наголосили, що таким чином вони безпосередньо фіксують кристалічне спотворення, оскільки атоми буквально зміщуються під час переходу.
Фероїлектричну відповідь також перевірили за допомогою п’єзореспонсної силової мікроскопії (PFM), вимірювань поляризації як функції електричного поля та тестів типу PUND (positive-up-negative-down). Ці електричні експерименти підтвердили, що структурне спотворення супроводжується реальною фероїлектричною поведінкою.
У підсумку вимірювання показали, що надтонкий TiO₂ переходить від звичайної центросиметричної структури до спотвореної орторомбічної. Чим тоншою ставала плівка, тим сильнішим було ґраткове спотворення, а фероїлектрична фаза зберігалася аж до товщини 1 нанометр, що приблизно відповідає подвоєній розмірності елементарної комірки TiO₂.
Новий шлях до енергоефективних пристроїв
Результати відкривають ще один шлях до створення ультратонких матеріалів для енергоефективної пам’яті й логічних схем. Оскільки TiO₂ уже добре знайомий напівпровідниковій індустрії, перехід цього матеріалу в фероїлектричну фазу на атомних товщинах потенційно дає змогу розробляти щільніші, швидші та економніші за споживанням енергії пристрої без радикальної зміни виробничих процесів.
Паралельно вчені вивчають й інші матеріали для обчислень із низьким енергоспоживанням. Водночас нинішній результат — це ще не готова технологія для масового виробництва електроніки. Дослідження демонструє саму фероїлектричну фазу TiO₂ та її формування на кремнії й аморфних підкладках, але реальні пристрої потребуватимуть додаткових тестів надійності перемикання, довговічності та робочих характеристик.
Тепер дослідники прагнуть виявити інші матеріали, які при зменшенні до надмалих розмірів набуватимуть корисних електронних властивостей. Їхня ширша мета — створити «бібліотеку» таких матеріалів і підібрати їх до різних архітектур пристроїв. Роботу опубліковано в журналі Science.