Американская команда подтвердила наличие собственной антиферроэлектричности у оксида гафния

Репортаж от Wedoany，25 сентября исследовательская группа Университета Небраски–Линкольна (США) объявила, что с помощью структурной характеризации, электрических измерений и теоретических расчётов подтвердила наличие собственной антиферроэлектричности у оксида гафния. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Science; в монокристаллических плёнках оксида гафния, стабилизированных сжимающей деформацией, группа наблюдала антипараллельную решётку поляризационных доменов, двойной гистерезисный электрический отклик и границы поляризационных фаз, что обеспечило прямое подтверждение антиферроэлектрической структуры и электрического поведения данного материала.

В исследовании использовался метод импульсного лазерного осаждения для получения сверхтонких плёнок оксида гафния на кристаллической подложке; антиполярная кристаллическая структура стабилизировалась сжимающей деформацией, создаваемой подложкой. Эксперименты показали, что по мере уменьшения толщины плёнки антиферроэлектрическая структура не ослабевает и остаётся стабильной при толщине вплоть до примерно 0,6 нанометра; исследовательская группа также подтвердила, что эта структура сохраняется при температуре до 850 °C.

В электрических испытаниях оксид гафния под действием внешнего электрического поля способен переходить из антиполярного состояния в поляризованное и демонстрирует двойную гистерезисную кривую, типичную для антиферроэлектрических материалов. Метод сканирующей зондовой микроскопии использовался для подтверждения переключения поляризационного состояния, а высокоразрешающая электронная микроскопия позволила непосредственно наблюдать антипараллельные смещения атомов внутри кристалла; результаты теоретических расчётов совпали с экспериментальными наблюдениями.

Статья озаглавлена «Antiferroelectric hafnia down to the 2D limit»; объектом исследования являются эпитаксиальные плёнки оксида гафния с ориентацией (111). Группа подтвердила, что его антиполярная орторомбическая фаза соответствует модели Киттеля для антиферроэлектрических материалов, и доказала, что эта упорядоченная структура может сохраняться вплоть до приближения к двумерному пределу.

Оксид гафния в настоящее время широко используется в передовых полупроводниковых приборах и обладает материальной основой, совместимой с технологией производства CMOS. Подтверждённое в данном исследовании антиферроэлектрическое состояние характеризуется переключением поляризации под действием электрического поля и может в дальнейшем использоваться в исследованиях устройств высокой плотности конденсаторов, энергонезависимой памяти и твердотельного охлаждения. Текущие результаты всё ещё находятся на стадии экспериментов с материалами и плёнками; в статье не опубликованы плотность энергии, плотность мощности, циклический ресурс или сроки массового производства коммерческих устройств накопления энергии.