Zuurstofgat maakt nieuwe generatie ferroelektrische materialen compatibel met silicium (video)

De resultaten, die zijn gepubliceerd in Science, wijzen de weg naar nieuwe ferroelektrische materialen.

Ferroelektrisch materiaal vertoont een spontane polarisatie die is te schakelen met behulp van een elektrisch veld. Het is in de micro-elektronica in gebruik als niet-vluchtig geheugen en bij het maken van logische schakelingen. Een nadeel is dat het materiaal zijn eigenschappen verliest wanneer de kristallen te klein worden. Maar een aantal jaren geleden bleek dat oxides van het element hafnium ferroelektrisch zijn op nanoschaal.

Microscoop

In 2018 bevestigde een team onder leiding van RUG hoogleraar Functionele Nanomaterialen Beatriz Noheda deze speciale eigenschap van hafnium oxides. "Maar we wisten toen niet hoe de ferroelektrische eigenschappen precies ontstaan. We wisten wel dat het mechanisme in deze dunne films van hafnium anders was dan gebruikelijk. Omdat ferroelektrisch schakelen zich op atomaire schaal afspeelt, besloten we de atomaire structuur van het materiaal te bestuderen terwijl het reageert op een elektrisch veld. Dat deden we met de krachtige röntgenbron van het Max IV synchrotron in Lund, Zweden, en met onze eigen superkrachtige microscoop."

Zuurstof

Waar het prepareren van monsters voor atomaire studie al lastig genoeg is, moest er deze keer in de microscoop ook nog een elektrisch veld aanwezig zijn. Dat maakte het vele malen moeilijker. Gelukkig was er een specialist in dit soort ‘in-situ’ experimenten aanwezig: Majid Ahmadi. De protocollen voor het maken van op hafnium gebaseerde condensatoren in de ionenstraal faciliteit zijn ontwikkeld door Ahmadi en hafnium-specialist Pavan Nukala. "We konden de atomaire structuur in beeld brengen van het hafnium-zirkonium oxide tussen twee elektroden, waarbij ook het licht zuurstof zichtbaar was", aldus Nukala. "Mensen dachten dat in hafnium een kleine verplaatsing van zuurstofatomen voor polarisatie zorgde. Dus heeft microscopisch onderzoek alleen zin wanneer je zuurstof zichtbaar kunt maken. En wij hadden daar de middelen voor. Vervolgens zetten wij een spanning over de condensator en volgden de atomaire bewegingen terwijl ze plaats hadden." Zo’n experiment waarbij de beweging van zuurstofatomen in een elektronenmicroscoop werd gevolgd is nog niet eerder vertoond.

Migratie

"Wat we vooral zagen was dat de zuurstofatomen zich verplaatsen. Ze zijn geladen en volgen daarom het elektrisch veld tussen de twee elektroden, door de hafnium laag. Dit soort reversibel ladingstransport maakt ferroelektriciteit mogelijk." Noheda: "Dat was een grote verrassing." Er is ook wel een kleine verschuiving in de atomaire positie in de individuele kristalelementen op picometer schaal, maar het effect van de zuurstofmigratie van de ene naar de andere kant van het monster is vele malen sterker. Deze ontdekking baant de weg naar nieuwe materialen voor het maken van elektronica op nanometer schaal. Nukela: "Ferroelektrisch geheugen op basis van hafnium is al commercieel te koop, hoewel het werkingsmechanisme nog niet bekend was. Nu hebben we een nieuwe route geopend voor het maken van een nieuwe generatie van zuurstof-geleidende ferroelektrische materialen die ook compatibel zijn met silicium."

Noheda, directeur van CogniGron, het Groningen Cognitive Systems and Materials Center dat zich richt op het ontwikkelen van nieuwe materialen voor op hersenen gebaseerde computers, ziet interessante mogelijkheden voor dit nieuwe type ferroelektrisch materiaal. "Zuurstofmigratie verloopt veel langzamer dan het omschakelen van een dipool. In geheugensystemen zou dat het korte- en lange-termijn geheugen van hersencellen kunnen nabootsen." Materiaalonderzoekers maken daarvoor nu hybride systemen van verschillende materialen. "Wij kunnen dit nu in één materiaal. En dor de verplaatsing van zuurstof te controleren zouden we tussenwaarden kunnen creëren, zoals je die ook vindt in neuronen."

Defecten

Nukala zou graag de piëzo-elektrische en elektrochemische eigenschappen van het materiaal willen onderzoeken. "Alle gewone ferroelektrische materialen zijn ook piëzo-elektrisch. Deze nieuwe, niet-giftige en silicium-vriendelijke ferroelektrische materialen bieden een mooie kans voor toepassing in een micro elektrisch-mechanisch systeem."

Interessant is dat de eigenschappen van het nieuwe materiaal uiteindelijk komen uit een onvolmaaktheid. "De zuurstof kan zich alleen verplaatsen omdat er in de kristalstructuur lege plekken op zuurstofposities zijn", zegt Nukala. "Je zou wat gebeurt ook kunnen beschrijven als en verplaatsing van die lege plekken. Deze defecten in de structuur zijn de sleutel tot het ferroelektrisch gedrag en geven dit materiaal zijn unieke eigenschappen."