El uso de ferroelectricidad en lugar de magnetismo en la memoria de la computadora ahorra energía. Si los bits ferroeléctricos fueran nanométricos, esto también ahorraría espacio. Pero la sabiduría convencional dicta que las propiedades ferroeléctricas desaparecen cuando los bits se hacen más pequeños. Los informes de que el óxido de hafnio se puede utilizar para fabricar un ferroeléctrico a nanoescala aún no han convencido al campo. sin embargo, los físicos de la Universidad de Groningen (UG) ahora han reunido evidencia que podría persuadir a los escépticos, publicado en Materiales de la naturaleza el 22 de octubre.

Los materiales ferroeléctricos tienen un momento dipolar espontáneo que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. Esto significa que se pueden utilizar para almacenar información, como bits magnéticos en un disco duro. La ventaja de los bits ferroeléctricos es que se pueden escribir a baja tensión y potencia. Los bits magnéticos requieren grandes corrientes para crear un campo magnético para la conmutación, y por tanto más poder. La desventaja de los ferroeléctricos es que los dipolos alineados solo son estables en grupos bastante grandes, así que si haces los cristales más pequeños, el momento dipolar finalmente desaparece.

Escepticismo

"La reducción del tamaño de los materiales ferroeléctricos ha sido un tema de investigación durante más de 20 años, "dice la profesora de Nanomateriales Funcionales de la UG, Beatriz Noheda. Hace unos ocho años, un gran avance fue anunciado por el Laboratorio de Materiales Nanoelectrónicos en Dresde, Alemania. Afirmaron que las películas delgadas de óxido de hafnio eran ferroeléctricas cuando eran más delgadas que diez nanómetros y que las películas más gruesas en realidad perdían sus propiedades ferroeléctricas. Noheda dice, "Esto iba en contra de todo lo que sabíamos, por lo que la mayoría de los científicos se mostraron escépticos, incluyéndome a mí ". Parte del escepticismo se debió a que las muestras de hafnio ferroeléctrico utilizadas en estos estudios eran policristalinas y mostraban múltiples fases, oscureciendo cualquier comprensión fundamental clara de un fenómeno tan poco convencional.

Noheda y su grupo decidieron investigar. Querían estudiar estos cristales cultivando películas limpias (monofásicas) sobre un sustrato. Utilizando técnicas de dispersión de rayos X y microscopía electrónica de alta resolución, observaron que películas muy delgadas (menos de diez nanómetros) crecen en una estructura polar completamente inesperada y previamente desconocida, que es necesaria para la ferroelectricidad. Combinando estas observaciones con meticulosas mediciones de transporte, confirmaron que el material era ferroeléctrico. "En el sustrato que usamos, los átomos estaban un poco más cerca que los del óxido de hafnio, por lo que los cristales de hafnio se tensarían un poco, "Noheda explica.

Fase polar

Para su sorpresa, notaron que la estructura cristalina cambiaba cuando las capas superaban los diez nanómetros, reproduciendo así los resultados del laboratorio de Dresde. Noheda:"Usamos un método totalmente diferente, pero llegamos a conclusiones similares. Esto confirmó que la ferroelectricidad en cristales de óxido de hafnio de tamaño nanométrico es real y poco convencional. Y eso planteó la pregunta:¿por qué sucede esto? "

El denominador común en ambos estudios fue el tamaño. Los pequeños cristales se volvieron ferroeléctricos, mientras que los cristales más grandes perdieron esta propiedad. Esto llevó a los científicos a estudiar los diagramas de fase del óxido de hafnio. En un tamaño muy pequeño, las partículas tienen una energía superficial muy grande, creando presiones de hasta 5 gigapascales en el cristal. Los diagramas de fase muestran una disposición de cristal diferente a tal presión. "Esta presión, junto con la tensión impuesta por el sustrato, induce una fase polar, lo cual está en línea con la observación de que estos cristales son ferroeléctricos, "concluye Noheda.

Despertar ciclo

Un hallazgo más importante es que, a diferencia de las películas delgadas de Dresde, los nuevos cristales no necesitan un ciclo de "activación" para convertirse en ferroeléctricos. Noheda:"Las películas delgadas estudiadas anteriormente solo se volvieron ferroeléctricas después de pasar por una serie de ciclos de conmutación. Esto aumentó la sospecha de que la ferroelectricidad era una especie de artefacto. Ahora creemos que los ciclos de activación eran necesarios para alinear los dipolos en" sucio "muestras cultivadas mediante otras técnicas. En nuestro material, la alineación ya está presente en los cristales ".

En opinión de Noheda, los resultados son concluyentes:el óxido de hafnio es ferroeléctrico a nanoescala. Esto significa que se pueden construir trozos muy pequeños a partir de este material, con la ventaja añadida de que conmutan a baja tensión. Es más, el sustrato particular utilizado en este estudio es magnético, y esta combinación de bits magnéticos y ferroeléctricos aporta un grado extra de libertad, permitiendo que cada bit almacene el doble de información. Ahora que el mecanismo de la ferroelectricidad nanométrica es claro, parece probable que otros óxidos simples puedan tener propiedades similares. Noheda espera eso juntos, esto provocará muchas investigaciones nuevas.