米国エネルギー省オークリッジ国立研究所の科学者チームは、新しい半導体用途での使用の可能性を探るため、酸化ハフニウム（ハフニウム）の挙動を研究しました。半導体用途におけるハフニウムの使用の可能性を研究している科学者は、ハフニウムの挙動が周囲の大気によって影響を受ける可能性があることを発見しました。彼らの発見は、将来のメモリ技術に良い示唆を与えます。
ORNLのDOEナノマテリアルサイエンスセンターの超高真空原子間力顕微鏡を使用して、研究者らは、先進的な半導体の開発に重要な材料である酸化ジルコニウム-ハフニウムにおける環境誘起の独特な強誘電性相転移を発見した。出典: Arthur Baddorf/ORNL、エネルギー省
ハフニウムのような材料は強誘電体であるため、電力がなくてもデータを長期間保存できます。これらの特性は、これらの材料が新しい不揮発性メモリ技術開発の鍵となる可能性があることを示唆しています。革新的な不揮発性メモリ アプリケーションは、短期メモリへのデータの連続転送によって発生する熱を軽減し、より大規模で高速なコンピュータ システムの構築への道を開きます。
ハフニアの電気的挙動を理解する
科学者らは、外部電場に応じて内部の電荷配置を変えるハフニアの能力に大気が影響するかどうかを調査した。夏府の研究で発見された一連の異常現象を説明するのが目的。研究チームの発見は最近、雑誌「Nature Materials」に掲載された。
「私たちは、これらの系における強誘電体の挙動が表面と結合しており、周囲の大気環境を変えることで調整できることをついに示しました。これまで、これらの系がどのように機能するかは推測の域を出ず、私たちのグループや世界中の複数のグループからの多数の観察に基づいた仮説でした」とORNLナノマテリアル科学センターの研究員カイル・ケリー氏は述べた。 CNMS は、エネルギー省科学局のユーザー施設です。ケリーは、実験を実施し、プロジェクトを発案したテネシー大学ノックスビル校のセルゲイ・カリニンと協力しました。
表層およびメモリー用途
多くの場合、メモリ用途で使用される材料には、情報を保存する材料の能力に影響を与える表面層またはデッド層があります。材料がわずか数ナノメートルの厚さにまで収縮すると、デッドレイヤーの影響が深刻になり、その機能特性が完全に妨げられます。ハフニアの表面層の挙動を調整することで、材料を反強誘電状態から強誘電状態に遷移させることができます。
「最終的に、これらの発見は、ハフニウムの予測モデリングとデバイスエンジニアリングへの道を提供します。これは、半導体産業におけるこの材料の重要性を考慮すると、緊急に必要とされています」とケリー氏は述べた。
予測モデリングを使用すると、科学者は以前の研究を利用して、未知のシステムの特性と動作を推定できます。ケリー氏とカリニン氏が主導した研究は、セラミック材料であるジルコニアを混合したハフニア合金に焦点を当てた。ただし、将来の研究では、これらの発見を使用して、二酸化ハフニウムが他の元素と合金化されたときにどのように挙動するかを予測することができる可能性があります。
研究方法と共同研究
この研究は、CNMS が提供できる方法である超高真空原子間力顕微鏡だけでなく、グローブ ボックス内および周囲条件下での原子間力顕微鏡にも依存しました。
「CNMS の独自の機能を使用することで、この種の作業を行うことができます」とケリー氏は言います。 「私たちは基本的に環境を大気から超高真空まで変化させます。言い換えれば、大気中のすべてのガスを無視できる程度まで除去してから、それらの反応を測定しますが、これは非常に困難です。」
カーネギー メロン大学の材料特性評価施設のチーム メンバーは、電子顕微鏡による特性評価を提供することで研究で重要な役割を果たし、バージニア大学の共同研究者は材料の開発と最適化の取り組みを主導しました。
ORNL の Liu Yongtao (CNMS 研究者) は、環境圧電応答力顕微鏡測定を実施しました。この研究プロジェクトをサポートするモデル理論は、ウクライナ国立科学アカデミー物理研究所のカリーニンとアンナ・モロゾフスカの長期にわたる共同研究の成果です。
チームの洞察
「私はキエフの同僚たちとほぼ20年間、強誘電体の物理学と化学の分野で共同研究してきました」とカリーニン氏は語った。 「彼らはこの論文の多くの研究を、その国の戦争のほぼ最前線で行いました。彼らは、私たちのほとんどが想像することさえできない状況で科学研究を行ってきました。」
研究チームは、彼らの発見が、特に制御された表面および界面の電気化学、つまり電気反応と化学反応の関係の役割を探求する新たな研究に刺激を与えることを期待している。