Discovery, yaygın olarak kullanılan elektronik malzemedeki nadir, değiştirilebilir elektriksel özelliği doğruluyor

Husker araştırma ekibinin son araştırması, elektriksel özellikleri bir gün yeni nesil elektroniklere, yüksek yoğunluklu enerji depolamaya, gelişmiş bilgisayar belleğine ve yeni soğutma stratejilerine güç verebilecek bir malzeme sınıfının daha geniş kullanımına kapıyı açabilir.

yılında yayınlanan yeni bir makalede BilimNebraska Üniversitesi-Lincoln araştırmacıları Xiaoshan Xu, Alexei Gruverman ve Evgeny Tsymbal, modern elektronikte yaygın olarak kullanılan sert, ısıya dayanıklı bir kimyasal bileşik olan hafniyum oksidin doğası gereği antiferroelektrik olduğunu, yani çok az malzemede bulunan nadir bir kaliteyi ortaya koyuyor. Hafniya olarak da bilinen hafniyum oksitten farklı olarak, doğası gereği antiferroelektrik malzemelerin çoğu, yaygın kullanımlarını sınırlayan toksin kurşunu içerir.

Üçlü, keşfin hafnia’nın özellikleri hakkında uzun süredir devam eden tartışmanın çözümlenmesine yardımcı olacağını söyledi. Bilim insanları malzemenin antiferroelektrik davranışını uzun süredir gözlemlese de, bunun “gerçek” antiferroelektriklikten mi yoksa elektrik yüklerinin hapsedilmesinden veya yeniden dağıtılmasından kaynaklanan yapay bir etkiden mi kaynaklandığı konusunda fikir birliğine varmadılar.

Başyazarı Susan J. Rosowski Fizik ve Astronomi Profesörü Xu, “Bu makale çok heyecan verici” dedi. “Sadece doğası gereği antiferroelektriğe sahip bu yeni malzemeyi keşfetmekle kalmadık, aynı zamanda malzeme halihazırda sahip olduğumuz, cep telefonlarımız ve bilgisayarlarımız da dahil olmak üzere modern elektroniklerle uyumlu. Bu, onu ferroelektrikliğe sahip diğer tüm malzemelerden ayırıyor.”

Makale bir adım daha ileri giderek hafnianın antiferroelektrik prototip olarak hizmet edebileceğini, yani öğretim ve araştırma amaçlı malzeme sınıfını temsil edebileceğini öne sürüyor. Bileşimi antiferroelektrikliğin klasik tanımına uygundur: Malzemenin pozitif ve negatif atomları nötr atomlarla ayrılmıştır.

Antiferroelektriklik: Geleceğin teknolojileri için bir ‘anahtar’

Bir antiferroelektrik malzeme, doğal olarak zıt yönlere işaret eden, birbirini büyük ölçüde iptal eden, pozitif ve negatif küçük elektriksel polarizasyonlara sahiptir. Harici bir voltaj uygulandığında, bir anahtar görevi görür ve malzemeyi elektriksel olarak nötrden polarize hale getirerek yük kaldırılıncaya kadar değiştirir.

Bu “değiştirilebilirlik” değerlidir çünkü malzemenin enerjiyi alıp salmasını, sıcaklığı değiştirmesini ve bilgiyi saklamasını sağlar.

Gelecekteki uygulamalar arasında elektronik bileşenlerin ve cihazların boyutunun küçültülmesine yardımcı olan yüksek performanslı kapasitörler; daha kompakt ve çevreye zararlı soğutucu akışkanlara daha az bağımlı olan katı hal soğutma sistemleri; ve enerji açısından verimli depolama ve verilere erişim nedeniyle daha iyi belleğe sahip bilgisayarlar.

Büyük bir keşif için işbirliği

Hafnia’nın doğal antiferroelektrikliğini göstermek disiplinler arası bir çabaydı. İnce film büyütme konusunda uzman olan Xu, alttaki kristalin üzerinde son derece ince bir hafniyum oksit tabakası oluşturmak için Nebraska Malzeme ve Nanobilim Merkezi’nde darbeli lazer biriktirme yöntemini kullandı. Kristal hafniyayı sıkıştırarak antiferroelektriklik sağlayan atomik düzenlemeyi stabilize etti.

Ortaya çıkan malzeme, malzeme inceldikçe antiferroelektrik düzeninin zayıfladığı veya tamamen ortadan kalktığı yönündeki yaygın inanışın tersini ortaya koydu. Aksine, Xu’nun hafnia’sı, film inceldikçe giderek daha istikrarlı bir antiferroelektrik yapı sergiledi; bu eğilim, 0,6 nanometre kalınlığa kadar devam etti. Film 850°C’ye (1,562°F) kadar stabil kaldı.

George Holmes Fizik ve Astronomi Profesörü Tsymbal, “Bu çalışmada dikkate değer olan şey, tek katmanlı kristalde bile antiferroelektriği sürdürebilmeniz ve hatta onu oldukça verimli bir şekilde geliştirebilmenizdir” dedi. “Çok yüksek kalitede bir monokristalin yetiştirirseniz, o zaman gerçekten de antiferroelektrikliğin kendine özgü özelliğini elde edeceğinizi gösterdik.”

Charles Mach Üniversitesi Fizik Profesörü Gruverman, Xu’nun hafnia filminin antipolar durumdan kutupsal durumlara geçebileceğini doğrulamak için taramalı prob mikroskobu ve integral elektriksel ölçümler konusundaki uzmanlığını ödünç verdi.

Malzemenin antiferroelektrikliğin üç yönünü de sergilediğini doğruladı: malzemenin hızla enerji depolamasına ve serbest bırakmasına olanak tanıyan ayırt edici “çift histerezis” döngüsü; komşu elektrik dipollerini temsil eden antiparalel alt örgüler; ve farklı polarizasyonlara sahip bölgeler arasındaki sınırlar olan fazlar arası sınırlar.

“Bunun bir dönüm noktası olduğunu düşünüyorum” dedi. “Artık hafnia’yı gerçek bir antiferroelektrik olarak sınıflandırabiliriz. Kanıtlar çok ikna edici.”

Tsymbal, Xu ve Gruverman’ın deneysel bulgularının teorik olarak doğrulanmasını sağladı. Holland Bilgi İşlem Merkezi’ndeki kaynakları kullanarak, malzemenin teorik modelleri ile gözlemlenen davranışı arasındaki uyumu gösterdi.

Louis’deki Washington Üniversitesi’nden Rohan Mishra, atomik düzeyde malzeme tasarımına uzmanlığa katkıda bulundu: Yüksek güçlü bir mikroskop kullanarak, Xu’nun malzemesinin kusursuz olduğunu görsel olarak doğruladı.

Xu, Gruverman ve Tsymbal, Atomik Olarak Tasarlanmış Malzemeler veya ATEM olarak adlandırılan yeni MRSEC’in üyeleridir ve takım bilimi zihniyetlerinin daha fazla keşif sağlayacağını tahmin etmektedirler.

Xu, “Nebraska’yı farklı kılan şeylerden biri de çok ama çok yakın işbirliği içinde olmamızdır” dedi. “Örneğin, bu makale için kaç örnek hazırlayıp hemen Alexei’nin laboratuvarına gönderdiğimizi bile bilmiyorum ve ardından Evgeny ile konuşurduk. Bu büyük keşfe yol açan şey, bu ileri geri hareketlerdir.”