Ein Team von Wissenschaftlern am Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums untersuchte das Verhalten von Hafniumoxid oder Hafnium auf sein Potenzial für den Einsatz in neuen Halbleiteranwendungen. Wissenschaftler, die das Potenzial von Hafnium für den Einsatz in Halbleiteranwendungen untersuchten, stellten fest, dass sein Verhalten durch die umgebende Atmosphäre beeinflusst werden kann. Ihre Erkenntnisse liefern gute Implikationen für die zukünftige Speichertechnologie.
Mithilfe der Ultrahochvakuum-Rasterkraftmikroskopie am DOE Nanomaterials Science Center am ORNL haben Forscher einen einzigartigen umweltbedingten ferroelektrischen Phasenübergang in Zirkonium-Hafniumoxid entdeckt, einem Material, das für die Entwicklung fortschrittlicher Halbleiter wichtig ist. Quelle: Arthur Baddorf/ORNL, Energieministerium
Materialien wie Hafnium sind ferroelektrisch, was bedeutet, dass sie Daten auch ohne Strom über lange Zeiträume speichern können. Diese Eigenschaften legen nahe, dass diese Materialien der Schlüssel zur Entwicklung neuer nichtflüchtiger Speichertechnologien sein könnten. Innovative nichtflüchtige Speicheranwendungen werden die durch die kontinuierliche Übertragung von Daten in das Kurzzeitgedächtnis entstehende Wärme verringern und so den Weg für die Schaffung größerer, schnellerer Computersysteme ebnen.
Das elektrische Verhalten von Hafnia verstehen
Die Wissenschaftler untersuchten, ob die Atmosphäre die Fähigkeit von Hafnia beeinflusst, seine interne Ladungsanordnung als Reaktion auf externe elektrische Felder zu ändern. Der Zweck besteht darin, eine Reihe ungewöhnlicher Phänomene zu erklären, die in der Xiafu-Forschung entdeckt wurden. Die Ergebnisse des Forschungsteams wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
„Wir zeigen endlich, dass das ferroelektrische Verhalten in diesen Systemen an die Oberfläche gekoppelt ist und durch Veränderung der umgebenden atmosphärischen Umgebung angepasst werden kann. Bisher war die Funktionsweise dieser Systeme eine Frage der Spekulation, eine Hypothese, die auf zahlreichen Beobachtungen unserer Gruppe und mehrerer Gruppen auf der ganzen Welt basiert“, sagte Kyle Kelley, Forscher am Centre for Nanomaterials Science des ORNL. CNMS ist eine Benutzereinrichtung des Office of Science des Energieministeriums. Kelly arbeitete mit Sergey Kalinin von der University of Tennessee, Knoxville, zusammen, der die Experimente durchführte und das Projekt konzipierte.
Oberflächenschicht- und Speicheranwendungen
Oftmals verfügen Materialien, die in Speicheranwendungen verwendet werden, über eine Oberfläche oder tote Schicht, die die Fähigkeit des Materials zum Speichern von Informationen beeinträchtigt. Wenn ein Material auf eine Dicke von nur wenigen Nanometern geschrumpft wird, werden die Auswirkungen der toten Schicht so stark, dass seine funktionellen Eigenschaften vollständig beeinträchtigt werden. Durch die Anpassung des Verhaltens der Oberflächenschicht in Hafnium ermöglicht dies den Übergang des Materials vom antiferroelektrischen in den ferroelektrischen Zustand.
„Letztendlich bieten diese Ergebnisse einen Weg für die prädiktive Modellierung und Geräteentwicklung von Hafnium, was angesichts der Bedeutung dieses Materials in der Halbleiterindustrie dringend erforderlich ist“, sagte Kelley.
Die prädiktive Modellierung ermöglicht es Wissenschaftlern, frühere Forschungsergebnisse zu nutzen, um die Eigenschaften und das Verhalten unbekannter Systeme abzuschätzen. Die von Kelley und Kalinin geleitete Forschung konzentrierte sich auf Hafnia-Legierungen, gemischt mit Zirkonoxid, einem Keramikmaterial. Zukünftige Forschungen könnten diese Erkenntnisse jedoch nutzen, um vorherzusagen, wie sich Hafniumdioxid verhält, wenn es mit anderen Elementen legiert wird.
Forschungsmethoden und Zusammenarbeit
Diese Forschung stützte sich auf die Rasterkraftmikroskopie in einer Handschuhbox und unter Umgebungsbedingungen sowie auf die Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum, Methoden, die CNMS bereitstellen kann.
„Dank der einzigartigen Fähigkeiten von CNMS sind wir in der Lage, diese Art von Arbeit zu erledigen“, sagte Kelly. „Im Grunde verändern wir die Umgebung von der Umgebungsatmosphäre bis zum Ultrahochvakuum. Mit anderen Worten: Wir entfernen alle Gase in der Atmosphäre bis auf einen vernachlässigbaren Grad und messen dann diese Reaktionen, was sehr schwierig ist.“
Teammitglieder der Materials Characterization Facility der Carnegie Mellon University spielten durch die elektronenmikroskopische Charakterisierung eine Schlüsselrolle in der Forschung, und Mitarbeiter der University of Virginia leiteten die Bemühungen zur Materialentwicklung und -optimierung.
Liu Yongtao (CNMS-Forscher) vom ORNL führte die Messungen der piezoelektrischen Reaktionskraftmikroskopie in der Umgebung durch. Die diesem Forschungsprojekt zugrunde liegende Modelltheorie ist das Ergebnis einer langfristigen gemeinsamen Forschung zwischen Kalinin und Anna Morozovska vom Institut für Physik der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine.
Einblicke in das Team
„Ich arbeite seit fast 20 Jahren mit Kollegen in Kiew in der ferroelektrischen Physik und Chemie zusammen“, sagte Kalinin. „Sie haben einen Großteil der Arbeit an diesem Papier fast an der Front des Krieges in diesem Land geleistet. Diese Leute haben wissenschaftliche Forschung unter Bedingungen betrieben, die sich die meisten von uns nicht einmal vorstellen können.“
Das Team hofft, dass ihre Ergebnisse neue Forschungen anregen werden, die sich insbesondere mit der Rolle der kontrollierten Oberflächen- und Grenzflächenelektrochemie befassen – der Beziehung zwischen elektrischen und chemischen Reaktionen.