À l’aide du microscope à force atomique sous vide ultra poussé du Centre des sciences des matériaux nanophases du DOE à l’ORNL, les chercheurs ont découvert des transitions de phase ferroélectriques uniques induites par l’environnement dans l’oxyde de hafnium et de zirconium, un matériau important dans le développement de semi-conducteurs avancés. Crédit : Arthur Baddorf/ORNL, Département de l’Énergie
Des scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge ont étudié le potentiel de la hafnia dans les applications de semi-conducteurs, révélant que son comportement peut être influencé par l’atmosphère environnante. Leurs découvertes offrent des implications prometteuses pour les futures technologies de mémoire.
Une équipe de scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie a étudié le comportement de l’oxyde de hafnium, ou hafnia, en raison de son potentiel d’utilisation dans de nouvelles applications de semi-conducteurs.
Des matériaux comme le hafnia affichent de la ferroélectricité, ce qui signifie qu’ils peuvent stocker des données pendant de longues périodes même sans alimentation. De telles caractéristiques suggèrent que ces matériaux pourraient jouer un rôle essentiel dans le développement de nouvelles technologies de mémoire non volatile. Les applications innovantes de mémoire non volatile ouvriront la voie à la création de systèmes informatiques plus grands et plus rapides en atténuant la chaleur générée par le transfert continu de données vers la mémoire à court terme.
Comprendre le comportement électrique de Hafnia
Les scientifiques ont cherché à savoir si l’atmosphère jouait un rôle dans la capacité de Hafnia à modifier la disposition de ses charges électriques internes lorsqu’un champ électrique externe est appliqué. L’objectif était d’expliquer l’éventail de phénomènes inhabituels obtenus lors de la recherche sur Hafnia. Les découvertes de l’équipe ont été récemment publiées dans la revue Matériaux naturels.
«Nous avons prouvé de manière concluante que le comportement ferroélectrique de ces systèmes est couplé à la surface et peut être modifié en modifiant l’atmosphère environnante. Auparavant, le fonctionnement de ces systèmes n’était que spéculation, une hypothèse basée sur un grand nombre d’observations réalisées à la fois par notre groupe et par plusieurs groupes dans le monde entier », a déclaré Kyle Kelley de l’ORNL, chercheur au Center for Nanophase Materials Sciences. CNMS est une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Kelley a réalisé les expériences et envisagé le projet en collaboration avec Sergei Kalinin de l’Université du Tennessee à Knoxville.
Couche de surface et application mémoire
Les matériaux généralement utilisés dans les applications de mémoire ont une couche superficielle, ou morte, qui interfère avec la capacité du matériau à stocker des informations. À mesure que les matériaux sont réduits à seulement quelques nanomètres d’épaisseur, l’effet de la couche morte devient suffisamment extrême pour stopper complètement les propriétés fonctionnelles. En modifiant l’atmosphère, les scientifiques ont pu ajuster le comportement de la couche superficielle, ce qui a fait passer le matériau de l’état antiferroélectrique à l’état ferroélectrique.
« En fin de compte, ces résultats ouvrent la voie à la modélisation prédictive et à l’ingénierie des dispositifs du hafnia, ce qui est nécessaire de toute urgence, compte tenu de l’importance de ce matériau dans l’industrie des semi-conducteurs », a déclaré Kelley.
La modélisation prédictive permet aux scientifiques d’utiliser des recherches antérieures pour estimer les propriétés et le comportement d’un système inconnu. L’étude menée par Kelley et Kalinin s’est concentrée sur l’hafnia allié ou mélangé à la zircone, un matériau céramique. Cependant, des recherches futures pourraient appliquer ces résultats pour anticiper le comportement de l’hafnia lorsqu’elle est alliée à d’autres éléments.
Méthodes de recherche et collaboration
Les recherches se sont appuyées sur la microscopie à force atomique en boîte à gants et en conditions ambiantes, ainsi que sur la microscopie à force atomique sous vide ultra poussé, méthodes disponibles au CNMS.
« Tirer parti des capacités uniques du CNMS nous a permis de réaliser ce type de travail », a déclaré Kelley. « Nous avons essentiellement modifié l’environnement, passant de l’atmosphère ambiante à l’ultravide. En d’autres termes, nous avons éliminé tous les gaz présents dans l’atmosphère à des niveaux négligeables et mesuré ces réponses, ce qui est extrêmement difficile à faire. »
Les membres de l’équipe du centre de caractérisation des matériaux de l’université Carnegie Mellon ont joué un rôle clé dans la recherche en fournissant une caractérisation par microscopie électronique, et des collaborateurs de l’université de Virginie ont dirigé le développement et l’optimisation des matériaux.
Yongtao Liu de l’ORNL, chercheur au CNMS, a effectué des mesures de microscopie à force de réponse piézoélectrique ambiante.
La théorie du modèle qui sous-tend ce projet de recherche est le résultat d’un long partenariat de recherche entre Kalinin et Anna Morozovska à l’Institut de physique de l’Académie nationale des sciences d’Ukraine.
Points de vue de l’équipe
« Je travaille avec mes collègues de Kiev sur la physique et la chimie des éléments ferroélectriques depuis près de 20 ans maintenant », a déclaré Kalinin. « Ils ont fait beaucoup pour ce journal alors qu’ils étaient presque en première ligne de la guerre dans ce pays. Ces gens continuent de faire de la science dans des conditions que la plupart d’entre nous ne peuvent imaginer.
L’équipe espère que ce qu’elle a découvert stimulera de nouvelles recherches spécifiques à l’exploration du rôle des électrochimies contrôlées des surfaces et des interfaces (la relation entre l’électricité et les réactions chimiques) dans les performances d’un appareil informatique.
« Des études futures pourront étendre ces connaissances à d’autres systèmes pour nous aider à comprendre comment l’interface affecte les propriétés du périphérique, ce qui, espérons-le, sera positif », a déclaré Kelley. « En règle générale, l’interface tue vos propriétés ferroélectriques lorsqu’elle est adaptée à ces épaisseurs. Dans ce cas, cela nous a montré une transition d’un état matériel à un autre.
Kalinin a ajouté : « Traditionnellement, nous explorions les surfaces au niveau atomique pour comprendre des phénomènes tels que la réactivité chimique et la catalyse, ou la modification de la vitesse d’une réaction chimique. Simultanément, dans la technologie traditionnelle des semi-conducteurs, notre objectif était uniquement de garder les surfaces propres des contaminants. Nos études montrent qu’en fait ces deux domaines – la surface et l’électrochimie – sont liés. Nous pouvons utiliser les surfaces de ces matériaux pour ajuster leurs propriétés fonctionnelles globales.
Le titre de l’article est « Ferroélectricité en hafnia contrôlée via l’état électrochimique de surface ».
Cette recherche a été soutenue dans le cadre du Center for 3D Ferroelectric Microelectronics, un centre de recherche sur les frontières énergétiques financé par le Bureau des sciences du DOE, programme Basic Energy Sciences, et a été partiellement réalisée en tant que proposition d’utilisateur au CNMS.
