利用美国能源部在ORNL纳米相材料科学中心的超高真空原子力显微镜，研究人员在氧化铪锆中发现了独特的环境诱导铁电相变，氧化铪锆是开发先进半导体的重要材料。来源:能源部Arthur badorf /ORNL

橡树岭国家的科学家们实验室研究了半胱氨酸在半胱氨酸中的潜力电感的应用，揭示其行为可能受到周围大气的影响。他们的发现为未来的记忆技术提供了有希望的启示。

美国能源部橡树岭国家实验室的一组科学家研究了氧化铪(hafnia)的行为，因为它在新型半导体应用中具有潜在的用途。

像hafnia这样的材料显示出铁电性，这意味着它们可以在没有电的情况下长时间存储数据。这些特性表明，这些材料可能是开发新的非易失性存储技术的关键。创新的非易失性存储器应用将通过减轻持续向短期存储器传输数据所产生的热量，为创造更大更快的计算机系统铺平道路。

理解Hafnia的电行为

科学家们探索了当施加外部电场时，大气是否在hafnia改变其内部电荷排列的能力中起作用。其目的是解释在hafnia研究中获得的一系列不寻常现象。该团队的研究结果最近发表在《自然材料》杂志上。

“我们已经最终证明，这些系统中的铁电行为与表面耦合，并且可以通过改变周围的大气来调节。“以前，这些系统的工作原理是推测，是基于我们小组和世界各地多个小组的大量观察得出的假设，”ORNL的Kyle Kelley说，他是纳米材料科学中心的研究员。CNMS是美国能源部科学办公室的用户设施。

凯利进行了这些实验，并与诺克斯维尔田纳西大学的谢尔盖·加里宁(Sergei Kalinin)合作设想了这个项目。

表面层和存储器应用

通常用于存储应用的材料有一个表面或死层，它会干扰材料存储信息的能力。当材料缩小到只有几纳米厚时，死层的影响变得极端，足以完全停止其功能特性。通过改变大气，科学家们能够调整表层的行为，从而将材料从反铁电态转变为铁电态。

Kelley说:“最终，这些发现为hafnia的预测建模和设备工程提供了一条途径，鉴于这种材料在半导体工业中的重要性，这是迫切需要的。”

预测建模使科学家能够利用以前的研究来估计未知系统的特性和行为。凯利和加里宁领导的研究重点是铪合金，或与氧化锆混合，一种陶瓷材料。然而，未来的研究可以应用这些发现来预测铪与其他元素合金时的表现。

研究方法与合作

这项研究依赖于手套箱内和环境条件下的原子力显微镜，以及在CNMS可用的超高真空原子力显微镜。

Kelley说:“利用CNMS独特的功能，我们可以完成这类工作。“我们基本上改变了环境，从环境大气到超高真空。换句话说，我们将大气中的所有气体去除到可以忽略不计的水平，并测量这些反应，这是非常困难的。”

来自卡内基梅隆大学材料表征中心的团队成员通过提供电子显微镜表征在研究中发挥了关键作用，来自弗吉尼亚大学的合作者领导了材料的开发和优化。

ORNL的刘永涛是CNMS的一名研究员，他进行了环境压响应力显微镜测量。

支撑这个研究项目的模型理论是Kalinin和乌克兰国家科学院物理研究所的Anna Morozovska长期合作研究的结果。

团队的见解

加里宁说:“我和基辅的同事们在铁电体的物理和化学方面已经工作了将近20年。“他们几乎在那个国家的战争前线时为这份报纸做了很多工作。这些人在我们大多数人无法想象的条件下继续从事科学研究。”

研究小组希望他们的发现能够激发新的研究，专门探索受控表面和界面电化学——电和化学反应之间的关系——在计算设备性能中的作用。

凯利说:“未来的研究可以将这些知识扩展到其他系统，以帮助我们了解界面如何影响设备属性，希望这将是一种很好的方式。”“通常情况下，当缩放到这些厚度时，界面会破坏铁电性能。在这种情况下，它向我们展示了从一种物质状态到另一种物质状态的转变。”

加里宁补充说:“传统上，我们在原子水平上探索表面，以了解化学反应性和催化作用，或化学反应速率的改变等现象。同时，在传统的半导体技术中，我们的目标只是保持表面清洁，不受污染物的污染。我们的研究表明，事实上，这两个领域——表面和电化学——是相互联系的。我们可以利用这些材料的表面来调整它们的整体功能特性。”

这篇论文的题目是“通过表面电化学状态控制铪中的铁电性”。

参考文献:“通过表面电化学状态控制hafnia中的铁电性”，作者Kyle P. Kelley, Anna N. Morozovska, Eugene A. Eliseev，刘永涛，Shelby S. Fields, Samantha T. Jaszewski, Takanori Mimura, Sebastian Calderon, Elizabeth C. Dickey, Jon F. Ihlefeld和Sergei V. Kalinin, 2023年8月14日，Nature Materials。DOI: 10.1038 / s41563 - 023 - 01619 - 9

该研究作为3D铁电微电子中心的一部分得到了支持，该中心是由美国能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心，基础能源科学计划，部分作为用户建议在CNMS进行。