Hafnia, confirmată ca material antiferroelectric intrinsec
O echipă de cercetători de la University of Nebraska–Lincoln a demonstrat că oxidul de hafniu, cunoscut sub numele de hafnia, posedă în mod inerent antiferroelectricitate, o proprietate electrică rară și comutabilă. Rezultatele au fost publicate în revista Science.
Hafnia este un compus chimic dur și rezistent la căldură, utilizat pe scară largă în electronica modernă. Multe materiale antiferroelectrice intrinseci conțin plumb, o substanță toxică ce le limitează utilizarea extinsă. Descoperirea ar putea pune capăt unei dezbateri îndelungate: deși comportamentul antiferroelectric al hafniei a fost observat de mult timp, oamenii de știință nu cădeau de acord dacă acesta provine dintr-o antiferroelectricitate autentică sau dintr-un efect artificial cauzat de captarea ori redistribuirea sarcinilor electrice.
„Lucrarea este foarte interesantă”, a declarat Xiaoshan Xu, autor principal și profesor de fizică și astronomie. „Nu doar că am descoperit acest material nou cu antiferroelectricitate inerentă, dar materialul este deja compatibil cu electronica modernă pe care o folosim, inclusiv telefoanele și calculatoarele. Asta îl deosebește de toate celelalte materiale feroelectrice.”
Un material antiferroelectric are mici polarizări electrice, pozitive și negative, orientate natural în direcții opuse, care se anulează reciproc în mare măsură. Când se aplică o tensiune externă, materialul acționează ca un întrerupător, trecând de la starea neutră din punct de vedere electric la una polarizată, până când sarcina este eliminată. Această comutabilitate permite materialului să absoarbă și să elibereze energie, să își schimbe temperatura și să stocheze informații.
Aplicațiile viitoare ar putea include condensatoare de înaltă performanță care contribuie la reducerea dimensiunii componentelor și dispozitivelor electronice, sisteme de răcire în stare solidă mai compacte și mai puțin dependente de refrigeranți dăunători mediului, precum și calculatoare cu memorie superioară datorită stocării și accesului eficient la date.
Demonstrarea antiferroelectricității inerente a hafniei a fost un efort interdisciplinar. Xu, expert în creșterea filmelor subțiri, a folosit depunerea cu laser pulsat la Nebraska Center for Materials and Nanoscience pentru a crea un strat extrem de subțire de oxid de hafniu pe un cristal suport. Cristalul a comprimat hafnia, stabilizând aranjamentul atomic care conferă antiferroelectricitate.
Materialul rezultat a contrazis convingerea predominantă că, pe măsură ce un material devine mai subțire, ordinea sa antiferroelectrică slăbește sau dispare complet. Dimpotrivă, hafnia obținută de Xu a prezentat o structură antiferroelectrică tot mai stabilă pe măsură ce filmul s-a subțiat, tendință care a persistat până la o grosime de 0,6 nanometri. Filmul a rămas stabil până la 850°C.
„Ceea ce este remarcabil în această lucrare este că, chiar și în cristalul monocap, se poate susține antiferroelectricitatea și chiar se poate amplifica destul de eficient”, a declarat Evgeny Tsymbal, profesor de fizică și astronomie. „Am demonstrat că, dacă se crește un monocristal de foarte înaltă calitate, se obține într-adevăr proprietatea intrinsecă de antiferroelectricitate.”
Alexei Gruverman, profesor de fizică, a contribuit cu expertiză în microscopie cu sondă de scanare și măsurători electrice integrale pentru a confirma că filmul de hafnia al lui Xu putea trece de la stări antipolare la stări polare. El a verificat că materialul prezintă toate cele trei caracteristici ale antiferroelectricității: bucla distinctivă de „histerezis dublu” care permite materialului să stocheze și să elibereze rapid energie; subrețelele antiparalele care reprezintă dipolii electrici vecini; și limitele de interfază dintre regiunile cu polarizări diferite.
„Cred că acesta este un punct de cotitură”, a spus el. „Acum putem categorisi hafnia ca un antiferroelectric autentic. Dovezile sunt foarte convingătoare.”
Tsymbal a oferit confirmare teoretică pentru rezultatele experimentale ale lui Xu și Gruverman. Folosind resursele de la Holland Computing Center, el a arătat că modelele teoretice ale materialului se aliniază cu comportamentul observat. Rohan Mishra de la Washington University in St. Louis a contribuit cu expertiză în proiectarea materialelor la nivel atomic: folosind un microscop de înaltă putere, a confirmat vizual că materialul obținut de Xu era flawless.
Xu, Gruverman și Tsymbal sunt membri ai noului MRSEC numit Atomically Engineered Materials, sau AtEM, și anticipează că mentalitatea lor de colaborare științifică va genera și alte descoperiri.
„Un lucru care diferențiază Nebraska este că colaborăm foarte, foarte strâns”, a spus Xu. „De exemplu, pentru această lucrare, nici nu știu câte probe am realizat și trimis imediat la laboratorul lui Alexei, iar apoi discutam cu Evgeny. Aceste schimburi repetate au dus la această descoperire remarcabilă.”
