Ferroelektryki – przyszłość elektroniki
Urządzenia elektroniczne stają się coraz mniejsze, dlatego materiały, które je zasilają, muszą być coraz cieńsze. Z tego powodu jednym z kluczowych wyzwań, przed jakimi stoją naukowcy przy opracowywaniu energooszczędnej elektroniki nowej generacji, jest odkrycie materiałów, które mogą zachować specjalne właściwości elektroniczne przy niesłychanie cienkich rozmiarach.
Zaawansowane materiały znane jako ferroelektryki stanowią obiecujące rozwiązanie, które pomoże obniżyć zużycie energii przez ultramałe urządzenia elektroniczne znajdujące się w telefonach komórkowych i komputerach.
Czym są ferroelektryki?
Ferroelektryki — elektryczny odpowiednik ferromagnetyków — to klasa materiałów, w których niektóre atomy są ułożone poza środkiem. Prowadzi to do spontanicznego wewnętrznego ładunku elektrycznego lub polaryzacji. Ta wewnętrzna polaryzacja może odwrócić swój kierunek, gdy naukowcy wystawią materiał na zewnętrzne napięcie. Otwiera to wielkie możliwości dla rozwoju mikroelektroniki o ultraniskiej mocy.
Niestety, konwencjonalne materiały ferroelektryczne tracą swoją wewnętrzną polaryzację poniżej grubości kilku nanometrów. Oznacza to, że nie są kompatybilne z obecną technologią krzemową. Ten problem wcześniej uniemożliwiał integrację ferroelektryków z mikroelektroniką.
Tematem zajął się zespół naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Przeprowadzający eksperymenty w Argonne National Laboratory w amerykańskim Departamencie Energii.
O Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory jest pierwszym i największym amerykańskim laboratorium, założonym w 1946 roku w hrabstwie DuPage w stanie Illinois. Jego witryną zarządza Departament Energii USA.
Argonne National Lab jest następcą Laboratorium Metalurgicznego w Chicago i miejscem pierwszej demonstracji kontrolowanej reakcji łańcuchowej Enrico Fermiego. Obecnie laboratorium składa się z Argonne Advanced Photon Source, Argonne Tandem Linear Accelerator System. Prowadzi podstawowe badania naukowe, przeprowadza eksperymenty na czystych źródłach energii, zarządza problemami środowiskowymi w całym kraju. Dokonuje także przeglądu i monitorowania zagrożeń bezpieczeństwa narodowego.
Wygląda na to, że uczeni z Illinois znaleźli rozwiązanie, które jednocześnie niweluje oba problemy. Tworzy najcieńszy ferroelektryk, jaki kiedykolwiek powstał oraz praktyczne wykorzystuje go w pamięci opartej na krzemie.
Ferroelektryki – badania nad ultracienkimi materiałami
W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science zespół badawczy odkrył stabilną ferroelektryczność w ultracienkiej warstwie dwutlenku cyrkonu o grubości zaledwie pół nanometra. To rozmiar pojedynczego atomowego bloku budulcowego, około 200 000 razy cieńszy niż ludzki włos. Zespół wyhodował ten materiał bezpośrednio na krzemie. Odkryli, że ferroelektryczność pojawia się w dwutlenku cyrkonu – zwykle materiale nieferroelektrycznym – gdy jest bardzo cienki, ma grubość około 1-2 nanometrów.
Warto zauważyć, że zachowanie ferroelektryczne nadal osiąga granicę grubości zbliżoną do skali atomowej, wynoszącą około pół nanometra. Ten fundamentalny przełom oznacza najcieńszy ferroelektryk na świecie. Jest to zaskakujące w przypadku materiału, który w swojej masie nie jest nawet typowo ferroelektryczny.
Badaczom udało się również przełączać polaryzację w tym ultracienkim materiale tam iz powrotem przy małym napięciu. Umożliwiając najcieńszą demonstrację pamięci roboczej, jaką kiedykolwiek zgłoszono na krzemie. Daje również duże nadzieje na energooszczędną elektronikę. Biorąc pod uwagę, że konwencjonalny dwutlenek cyrkonu jest już obecny w nowoczesnych chipach krzemowych.
„Ta praca stanowi kluczowy krok w kierunku zintegrowania ferroelektryków z wysokoskalową mikroelektroniką” – powiedział Suraj Cheema, doktorant z UC Berkeley, pierwszy autor badania.
Wizualizacja ferroelektrycznego zachowania takich ultracienkich systemów wymagała użycia Argonne’s Advanced Photon Source, obiektu użytkownika Biura Nauki Departamentu Energii.
„Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego daje potrzebny wgląd w to, jak pojawia się ta ferroelektryczność” – powiedział fizyk z Argonne, John Freeland, inny autor badania.
Nowe materiały
Oprócz bezpośredniego wpływu technologicznego, praca ta ma również istotne znaczenie dla projektowania nowych materiałów dwuwymiarowych.
„Zwykłe ściśnięcie materiałów 3D do ich limitu grubości 2D oferuje prostą, ale skuteczną drogę do odblokowania ukrytych zjawisk w szerokiej gamie prostych materiałów” – powiedział Cheema. „To znacznie rozszerza przestrzeń projektowania materiałów dla elektroniki nowej generacji o materiały już kompatybilne z technologiami krzemowymi”.
Jak zauważył Cheema, po prostu wyhodowanie zaledwie kilku warstw atomowych materiału 3D może zaoferować potencjał nowej klasy materiałów 2D. Atomowo cienkich materiałów 3D, które wykraczają poza konwencjonalne arkusze materiałów 2D, takie jak grafen. Naukowcy mają nadzieję, że te prace zmotywują do dalszych badań nad dwuwymiarowymi materiałami 3D. Wykazującymi pojawiające się zjawiska elektroniczne istotne dla energooszczędnej elektroniki.
Tą pracą kierowali Cheema i Sayeef Salahuddin z UC Berkeley, wraz z pierwszymi autorami Nirmaanem Shankerem i Shang-Lin Hsu. We współpracy z fizykami Argonne Freelandem i Zhanem Zhangiem, naukowcy wykorzystali synchrotronową spektroskopię absorpcji promieniowania rentgenowskiego i dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego. Po to, aby zbadać strukturalną ewolucję ferroelektryczności do skali atomowej i zbadać jej pochodzenie elektroniczne.
Ferroelektryki – nowe baterie?
W Laboratorium Zaawansowanego Źródła Światła i Odlewni Molekularnej przy DOE Lawrence Berkeley National Laboratory, we współpracy z naukowcami Padraicem Shaferem i Jimem Cistonem, badano ferroelektryczną strukturę krystaliczną materiału za pomocą miękkiego promieniowania rentgenowskiego i transmisyjnej mikroskopii elektronowej.
Zespół z Berkeley wyhodował na krzemie domieszkowany tlenek hafnu o grubości jednego nanometra. Ultracienki materiał nie tylko wykazał ferroelektryczność, ale efekt był w rzeczywistości silniejszy niż materiał o kilka nanometrów grubszy. „To fundamentalny przełom” w dziedzinie ferroelektryczności, powiedział Salahuddin.
Odkrycie może doprowadzić do stworzenia bardziej zaawansowanych baterii i czujników. Ale praca jest szczególnie obiecująca dla pamięci i układów logicznych w komputerach.
Odkrycie ferroelektryczności w warstwach o grubości zaledwie 1 nanometra oznacza, że te komórki magazynujące mogą zostać zmniejszone do wymiarów poniżej tego, co wcześniej uważano za możliwe.
„Możemy uprawiać materiały ferroelektryczne, które można dziś wykorzystać do produkcji chipów komputerowych” – powiedział Salahuddin.
Badania w Polsce
W Polsce badaniami nad ferroelektrykami prowadzi zespół pod kierownictwem prof. zw. dr hab. Krystiana Roledera, kierownika Zakładu Fizyki Ferroelektryków na Wydziale Matematyki, Fizyki i Chemii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
„W Zakładzie Fizyki Ferroelektryków potrafimy otrzymywać kryształy i ceramiki o strukturze perowskitu. Owocnie współpracujemy także z Wojskową Akademią Techniczną w Warszawie. W Instytucie Fizyki przy ul. Uniwersyteckiej analizujemy wewnętrzną strukturę otrzymywanych materiałów, badamy właściwości powierzchni, opisujemy ich właściwości dielektryczne, optyczne, cieplne i elektromechaniczne w szerokim zakresie temperatur, a także, co szczególnie ważne, jesteśmy w stanie manipulować ich strukturą krystaliczną poprzez łamanie jej symetrii tak, by uzyskać jeszcze bardziej funkcjonalne cechy ferroelektryczne” – mówi uczony.
Ferroelektryki, jak podkreśla fizyk, mają niezwykle ważne praktyczne zastosowanie. Dotyczy to, oprócz zastosowań w telekomunikacji i elektronice użytkowej, między innymi aparatury naukowo- badawczej, a także aparatury medycznej. Wykorzystywane są do budowy mikroskopów sił atomowych – najnowocześniejszych narzędzi badawczych XX i XXI wieku.
Dzięki ferroelektrycznemu piezoelektrykowi bardzo cienkie metalowe ostrze (złożone z policzalnej liczby atomów) przesuwa się po powierzchni próbki na głębokości mniejszej od 1 nm (10-9 m) i oddziałując z nią, ulega minimalnym odchyleniom. Dzięki detekcji tych odchyleń otrzymuje się obraz uporządkowanych atomów tworzących powierzchnię danego materiału. Urządzenie to pozwala badać powierzchnie nawet na poziomie jednej warstwy atomowej.
