Một nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã nghiên cứu hoạt động của hafnium oxit, hay hafnium, để tìm hiểu tiềm năng sử dụng của nó trong các ứng dụng bán dẫn mới. Các nhà khoa học nghiên cứu tiềm năng sử dụng hafnium trong các ứng dụng bán dẫn nhận thấy rằng hoạt động của nó có thể bị ảnh hưởng bởi bầu khí quyển xung quanh. Phát hiện của họ mang lại ý nghĩa tốt cho công nghệ bộ nhớ trong tương lai.
Sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử chân không cực cao tại Trung tâm Khoa học Vật liệu nano DOE tại ORNL, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra quá trình chuyển pha sắt điện độc đáo do môi trường gây ra trong oxit zirconium hafnium, một vật liệu quan trọng cho sự phát triển của chất bán dẫn tiên tiến. Nguồn: Arthur Baddorf/ORNL, Bộ Năng lượng
Các vật liệu như hafnium là sắt điện, nghĩa là chúng có thể lưu trữ dữ liệu trong thời gian dài ngay cả khi không có điện. Những đặc tính này cho thấy những vật liệu này có thể là chìa khóa cho sự phát triển của các công nghệ bộ nhớ ổn định mới. Các ứng dụng bộ nhớ ổn định mang tính đổi mới sẽ làm giảm nhiệt sinh ra do việc truyền dữ liệu liên tục sang bộ nhớ ngắn hạn, mở đường cho việc tạo ra các hệ thống máy tính lớn hơn, nhanh hơn.
Tìm hiểu hành vi điện của hafnia
Các nhà khoa học đã khám phá xem liệu khí quyển có ảnh hưởng đến khả năng thay đổi cách sắp xếp điện tích bên trong của hafnia để phản ứng với điện trường bên ngoài hay không. Mục đích là giải thích hàng loạt hiện tượng bất thường được phát hiện trong nghiên cứu của Xiafu. Phát hiện của nhóm nghiên cứu gần đây đã được công bố trên tạp chí Vật liệu thiên nhiên.
"Cuối cùng chúng tôi đã chứng minh được rằng đặc tính sắt điện trong các hệ thống này được kết hợp với bề mặt và có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi môi trường khí quyển xung quanh. Cho đến nay, cách thức hoạt động của các hệ thống này vẫn là vấn đề suy đoán, một giả thuyết dựa trên nhiều quan sát từ nhóm của chúng tôi và nhiều nhóm trên khắp thế giới", Kyle Kelley, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Vật liệu nano của ORNL, cho biết. CNMS là cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng. Kelly hợp tác với Sergey Kalinin của Đại học Tennessee, Knoxville, người đã tiến hành các thí nghiệm và hình thành nên dự án.
Lớp bề mặt và ứng dụng bộ nhớ
Vật liệu thường được sử dụng trong ứng dụng bộ nhớ có lớp bề mặt hoặc lớp chết ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ thông tin của vật liệu. Khi một vật liệu bị thu nhỏ lại chỉ dày vài nanomet, tác động của lớp chết sẽ trở nên nghiêm trọng đến mức ngăn chặn hoàn toàn các đặc tính chức năng của nó. Bằng cách điều chỉnh hoạt động của lớp bề mặt, ở hafnia, điều này cho phép vật liệu chuyển từ trạng thái phản sắt điện sang trạng thái sắt điện.
Kelley cho biết: "Cuối cùng, những phát hiện này mở ra con đường cho mô hình dự đoán và kỹ thuật thiết bị của hafnium, điều rất cần thiết do tầm quan trọng của vật liệu này trong ngành bán dẫn."
Mô hình dự đoán cho phép các nhà khoa học sử dụng nghiên cứu trước đây để ước tính các đặc tính và hành vi của các hệ thống chưa xác định. Nghiên cứu do Kelley và Kalinin dẫn đầu tập trung vào hợp kim hafnia trộn với zirconia, một loại vật liệu gốm. Tuy nhiên, nghiên cứu trong tương lai có thể sử dụng những phát hiện này để dự đoán hafnium dioxide hoạt động như thế nào khi hợp kim với các nguyên tố khác.
Phương pháp nghiên cứu và hợp tác
Nghiên cứu này dựa vào kính hiển vi lực nguyên tử trong hộp đựng găng tay và trong điều kiện môi trường xung quanh, cũng như kính hiển vi nguyên tử lực chân không siêu cao, cả hai phương pháp mà CNMS có thể cung cấp.
Kelly cho biết: "Sử dụng khả năng độc đáo của CNMS, chúng tôi có thể thực hiện loại công việc này. Về cơ bản, chúng tôi thay đổi môi trường, từ không khí xung quanh đến chân không cực cao. Nói cách khác, chúng tôi loại bỏ tất cả khí trong khí quyển đến mức không đáng kể. Những phản ứng này sau đó được đo lường, điều này rất khó thực hiện."
Các thành viên nhóm tại Cơ sở Đặc tính Vật liệu của Đại học Carnegie Mellon đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu bằng cách cung cấp đặc tính kính hiển vi điện tử và các cộng tác viên tại Đại học Virginia dẫn đầu các nỗ lực tối ưu hóa và phát triển vật liệu.
Liu Yongtao của ORNL (nhà nghiên cứu CNMS) đã thực hiện các phép đo kính hiển vi lực phản ứng áp điện môi trường. Lý thuyết mô hình hỗ trợ dự án nghiên cứu này là kết quả của nghiên cứu hợp tác lâu dài giữa Kalinin và Anna Morozovska từ Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Ukraine.
Thông tin chi tiết từ nhóm
Kalinin cho biết: "Tôi đã cộng tác với các đồng nghiệp ở Kiev trong gần 20 năm trong lĩnh vực vật lý sắt điện và hóa học. Họ gần như ở tuyến đầu trong cuộc chiến của đất nước vì điều này. Rất nhiều công việc đã được thực hiện cho bài báo này. Những điều này mọi người đã nghiên cứu khoa học trong những điều kiện mà hầu hết chúng ta không thể tưởng tượng được "
Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng những phát hiện của họ sẽ truyền cảm hứng cho nghiên cứu mới, đặc biệt là khám phá vai trò của điện hóa học bề mặt và giao diện được kiểm soát - mối quan hệ giữa các phản ứng điện và hóa học.