Los científicos e ingenieros han estado presionando durante la última década para aprovechar un esquivo material ferroeléctrico llamado óxido de hafnio, o hafnia, para marcar el comienzo de la próxima generación de memoria informática. Un equipo de investigadores, incluido Sobhit Singh de la Universidad de Rochester, publicó un estudio en las Proceedings of the National Academy of Sciences. que describe el progreso hacia la disponibilidad de hafnia ferroeléctrica y antiferroeléctrica a granel para su uso en una variedad de aplicaciones.
En una fase cristalina específica, la hafnia exhibe propiedades ferroeléctricas, es decir, polarización eléctrica que puede cambiarse en una dirección u otra aplicando un campo eléctrico externo. Esta característica se puede aprovechar en la tecnología de almacenamiento de datos. Cuando se utiliza en informática, la memoria ferroeléctrica tiene la ventaja de no volatilidad, lo que significa que conserva sus valores incluso cuando está apagada, una de las varias ventajas sobre la mayoría de los tipos de memoria que se utilizan en la actualidad.
"Hafnia es un material muy interesante debido a sus aplicaciones prácticas en tecnología informática, especialmente para el almacenamiento de datos", dice Singh, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica. "Actualmente, para almacenar datos utilizamos formas magnéticas de memoria que son lentas, requieren mucha energía para funcionar y no son muy eficientes. Las formas ferroeléctricas de memoria son robustas, ultrarrápidas, más baratas de producir y más eficientes energéticamente. ."
Pero Singh, que realiza cálculos teóricos para predecir las propiedades de los materiales a nivel cuántico, dice que la hafnia en masa no es ferroeléctrica en su estado fundamental. Hasta hace poco, los científicos sólo podían llevar la hafnia a su estado ferroeléctrico metaestable cuando la deformaban como una película delgada y bidimensional de un espesor nanométrico.
En 2021, Singh formó parte de un equipo de científicos de la Universidad de Rutgers que consiguió que la hafnia permaneciera en su estado ferroeléctrico metaestable aleando el material con itrio y enfriándolo rápidamente. Sin embargo, este enfoque tenía algunos inconvenientes. "Se necesitó mucho itrio para llegar a la fase metaestable deseada", afirma.
"Entonces, si bien logramos lo que buscábamos, al mismo tiempo estábamos obstaculizando muchas de las características clave del material porque estábamos introduciendo muchas impurezas y desorden en el cristal. La pregunta fue:¿cómo podemos llegar a eso? ¿Estado metaestable con la menor cantidad de itrio posible para mejorar las propiedades del material resultante?"
En el nuevo estudio, Singh calculó que aplicando una presión significativa, se podría estabilizar la hafnia en masa en sus formas metaestables ferroeléctricas y antiferroeléctricas, las cuales son interesantes para aplicaciones prácticas en tecnologías de almacenamiento de energía y datos de próxima generación.
Un equipo dirigido por la profesora Janice Musfeldt de la Universidad de Tennessee, Knoxville, llevó a cabo experimentos de alta presión y demostró que, a la presión prevista, el material se convertía en la fase metaestable y permanecía allí incluso cuando se eliminaba la presión.
"Este es un excelente ejemplo de colaboración teórico-experimental", afirma Musfeldt.
El nuevo enfoque requirió sólo aproximadamente la mitad de itrio como estabilizador, mejorando así considerablemente la calidad y pureza de los cristales de hafnia cultivados. Ahora, Singh dice que él y los otros científicos presionarán para usar cada vez menos itrio hasta que encuentren una manera de producir hafnia ferroeléctrica a granel para su uso generalizado.
Y mientras la hafnia continúa atrayendo cada vez más atención debido a su intrigante ferroelectricidad, Singh está organizando una sesión de enfoque invitada sobre el material en la reunión de marzo de 2024 de la Sociedad Estadounidense de Física.
Más información: Musfeldt, J. L. et al, Purificación de fase estructural de HfO2:Y a granel mediante ciclos de presión, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2312571121. doi.org/10.1073/pnas.2312571121
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de Rochester
