Películas delgadas a base de hafnio, con un grosor de solo unos pocos nanómetros, exhiben una forma no convencional de ferroelectricidad. Esto permite la construcción de dispositivos lógicos o memorias de tamaño nanométrico. Sin embargo, no estaba claro cómo podría ocurrir la ferroelectricidad a esta escala. Un estudio dirigido por científicos de la Universidad de Groningen mostró cómo los átomos se mueven en un condensador basado en hafnio:los átomos de oxígeno migratorios (o vacantes) son responsables de la conmutación y el almacenamiento de carga observados. Los resultados, que fueron publicados en línea por la revista Ciencias el 15 de abril, señalar el camino hacia nuevos materiales ferroeléctricos.

Los materiales ferroeléctricos exhiben una polarización espontánea que se puede invertir o cambiar mediante un campo eléctrico. Se utiliza en memorias no volátiles o en la construcción de dispositivos lógicos. Un inconveniente de estos materiales es que cuando el tamaño de los cristales se reduce por debajo de cierto límite, las propiedades ferroeléctricas se pierden. Sin embargo, Hace algunos años, Los investigadores sugirieron que los óxidos a base de hafnio podrían exhibir ferroelectricidad en dimensiones a nanoescala.

Microscopio

En 2018, un equipo liderado por Beatriz Noheda, profesor de nanomateriales funcionales en la Universidad de Groningen, confirmó estas propiedades especiales de los óxidos de hafnio. "Sin embargo, no sabíamos exactamente cómo ocurrió esta ferroelectricidad, ", dice." Sabíamos que el mecanismo en estas membranas delgadas a base de hafnio es diferente. Como la conmutación ferroeléctrica es algo que ocurre a escala atómica, decidimos estudiar cómo responde la estructura atómica de este material a un campo eléctrico, ambos usando la poderosa fuente de rayos X en el sincrotrón MAX-IV en Lund y nuestro formidable microscopio electrónico en Groningen ".

La Universidad alberga un microscopio electrónico de última generación en el centro de microscopía electrónica del Instituto Zernike de Materiales Avanzados. con el que el grupo de Bart Kooi, coautor de la Ciencias papel, obtuvo con éxito la imagen de los átomos más ligeros de la tabla periódica (hidrógeno) por primera vez en 2020. Aquí es donde entra el primer autor Pavan Nukala. Trabajó como investigador Marie Curie en la Universidad de Groningen y tenía experiencia en microscopía electrónica y ciencia de los Materiales, especialmente en estos sistemas ferroeléctricos de hafnio.

Oxígeno

Sin embargo, si la preparación de una muestra para la formación de imágenes de átomos es complicada, luego, la necesidad de aplicar un campo eléctrico a través de un dispositivo in situ aumenta la dificultad en varios órdenes de magnitud. Afortunadamente, aproximadamente al mismo tiempo, Majid Ahmadi (un maestro de experimentos in situ) se unió al grupo de Kooi. "Todos estábamos bastante convencidos de que si hubiera un lugar donde el cambio de hafnio pudiera visualizarse in situ a escala atómica, estaría aquí en el centro de microscopía electrónica ZIAM. Se beneficia de una combinación única de la experiencia adecuada en ciencia de materiales, microscopía e infraestructura, "Noheda explica.

Ahmadi y Nukala desarrollaron los protocolos adecuados para construir condensadores transparentes a electrones basados ​​en hafnio utilizando la instalación de haz de iones enfocado. "Obtuvimos imágenes de la red atómica de óxido de hafnio-circonio entre dos electrodos, incluidos los átomos de oxígeno ligero, "Nukala explica." La gente creía que el desplazamiento del átomo de oxígeno en el hafnio da lugar a la polarización. Por lo tanto, cualquier microscopía solo tendría sentido si se pudieran obtener imágenes de oxígeno y tuviéramos la herramienta exacta para eso. Luego aplicamos un voltaje externo al capacitor y observamos los cambios atómicos en tiempo real. "Nunca se había hecho un experimento in situ de este tipo con imágenes directas de átomos de oxígeno dentro del microscopio electrónico.

Migración

"Una característica importante que observamos es que los átomos de oxígeno se mueven, "explica Nukala." Se cargan y migran siguiendo el campo eléctrico entre los electrodos a través de la capa de hafnio. Un transporte de carga tan reversible permite la ferroelectricidad ". Noheda agrega:" Esto fue una gran sorpresa ".

También hay un pequeño cambio en las posiciones atómicas en la escala de picómetros dentro de las celdas unitarias, pero el efecto general de la migración de oxígeno de un lado al otro en la respuesta del dispositivo es mucho mayor. Este descubrimiento allana el camino para nuevos materiales que podrían usarse para dispositivos lógicos y de almacenamiento de tamaño nanométrico. "Las memorias ferroeléctricas basadas en hafnio ya están en producción, a pesar de que se desconocía el mecanismo detrás de su comportamiento, ", dice Nukala." Ahora hemos abierto el camino hacia una nueva generación de conductores de oxígeno, materiales ferroeléctricos compatibles con silicio ".

Noheda, quien es el director de CogniGron, el Centro de Materiales y Sistemas Cognitivos de Groningen, que desarrolla nuevos materiales para la computación cognitiva, Se pueden ver aplicaciones interesantes para el nuevo tipo de materiales ferroeléctricos. "La migración de oxígeno es mucho más lenta que la conmutación de dipolos. En los sistemas de memoria que podrían emular la memoria a corto y largo plazo de las células cerebrales, Los científicos de materiales intentan actualmente hacer sistemas híbridos a partir de diferentes materiales para combinar estos dos mecanismos. "Ahora podemos hacerlo con el mismo material. Y controlando el movimiento del oxígeno, podríamos crear estados intermedios, de nuevo, como se encuentra en las neuronas ".

Defectos

Nukala, que ahora es profesor asistente en el Instituto Indio de Ciencias, también está interesado en explorar las propiedades piezoeléctricas o electromecánicas del material. "Todos los ferroeléctricos convencionales también son piezoeléctricos. ¿Qué pasa con estos nuevos no tóxicos, ferroeléctricos compatibles con el silicio? Aquí existe la oportunidad de explorar su potencial en sistemas microelectromecánicos ".

En el final, las propiedades de este nuevo material provienen de imperfecciones. "El oxígeno solo puede viajar porque hay vacantes de oxígeno dentro de la estructura cristalina, "dice Nukala." De hecho, También podría describir lo que sucede como una migración de estas vacantes. Estos defectos estructurales son la clave del comportamiento ferroeléctrico y, en general, dar a los materiales propiedades novedosas ".