Superkleine en zuinige elektronica stap dichterbij

Computergeheugen kan zuiniger werken door gebruik van ferro-elektrisch materiaal. En door die ferro-elektrische bits ook nog eens zeer klein te maken zouden ze extra efficiënt zijn. Maar algemeen werd aangenomen dat ferro-elektrische eigenschappen verdwijnen wanneer je de bits zeer klein maakt. Dus artikelen waarin staat dat je hafnium op nanoschaal nog steeds oxide ferro-elektrisch is hebben nog maar weinig wetenschappers overtuigd. Maar nu komen natuurkundigen van de RUG met bewijs dat de sceptici zou kunnen overtuigen. Het is op 22 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.

Ferro-elektrische materialen vormen spontaan een dipool moment dat naar boven of beneden kan wijzen. Op die manier is informatie op te slaan, net als in magnetische bits op een harde schijf. Het voordeel van ferro-elektrische bits is dat ze zijn te schrijven met een laag voltage en lage stroomsterkte. Voor het schakelen van magnetische bits is een magnetisch veld nodig dat wordt opgewekt met een sterkere stroom, die verbruiken dus meer energie. Het nadeel van ferro-elektriciteit is dat de dipolen alleen in dezelfde richting blijven bestaan in nogal grote groepen. Dus wanneer je de kristallen kleiner maakt, verdwijnt het dipool moment uiteindelijk.

‘Er wordt al meer dan twintig jaar onderzoek gedaan naar het verkleinen van ferro-elektrische materialen’, zegt RUG hoogleraar Functionele Nanomaterialen Beatriz Noheda. Een jaar of acht geleden meldde het Nanoelectronic Materials Lab in Dresden, Duitsland, een doorbraak. Zij claimden dat dunne films van hafnium oxide ferro-elektrisch waren zolang ze dunner dan tien nanometer bleven: dikkere films verloren de ferro-elektrische eigenschappen. Noheda: ‘Dat ging in tegen alles wat we wisten, dus de meeste wetenschappers waren sceptisch, ik ook.’ Een deel van die scepsis werd veroorzaakt doordat het materiaal dat de onderzoekers uit Dresden voor hun experimenten met ferro-elektrisch hafnium gebruikten polykristallijn was en verschillende fasen vertoonde. Dit maakte het onmogelijk om een fundamenteel inzicht te krijgen in wat er precies gebeurde in het materiaal.

Noheda en haar groep besloten zelf onderzoek te gaan doen. Ze wilden de kristallen hafnium oxide bestuderen door zuivere films (bestaand uit één fase) te laten groeien op een substraat. Met behulp van röntgenverstrooiing en hoge resolutie elektronenmicroscopie zagen zij dat zeer dunne films (onder de tien nanometer) groeiden in een volkomen onverwachte en onbekende polaire structuur, iets dat nodig is voor ferro-elektriciteit. Ze combineerden deze observaties met nauwkeurige metingen van elektronen transport en bevestigden daarmee dat het materiaal inderdaad ferro-elektrisch was. ‘In het substraat waarop we de films groeiden zaten de atomen net iets dichter bij elkaar dan in hafnium oxide. Hierdoor stond er een klein beetje spanning op de hafnium kristallen’, legt Noheda uit.

Tot hun verrassing bleek dat de kristalstructuur veranderde wanneer de films dikker werden dan tien nanometer. Ze kregen dus dezelfde resultaten als de collega’s uit Dresden. Noheda: ‘Wij hebben een totaal andere methode gebruikt maar kwamen tot dezelfde conclusies. Dit bevestigt dat ferro-elektriciteit in hafnium oxide kristallen op nanoschaal inderdaad bestaat, wat ingaat tegen wat we dachten. Dus bleef de vraag: hoe kan dit?’

Wat beide studies gemeen hadden was de grootte: kleine kristallen waren ferro-elektrisch, grote kristallen raakten die eigenschap kwijt. Dit bracht de onderzoekers ertoe om de fase diagrammen van hafnium oxide nog eens goed te bekijken. Heel kleine deeltjes hebben een zeer grote oppervlakte energie, wat een grote druk tot wel 5 gigapascal kan veroorzaken in een kristal. Het fase diagram laat zien dat er verschillende kristalstructuren mogelijk zijn bij zo’n druk. ‘De druk, in combinatie met de spanning die het substraat veroorzaakte, doet een polaire fase ontstaan, wat past bij de observatie dat de kristallen ferro-elektrisch zijn’, concludeert Noheda.

Nog een belangrijke observatie was dat de nieuwe kristallen, in tegenstelling tot de dunne films uit Dresden, geen ‘wekcyclus’ nodig hebben om ferro-elektrisch te worden. Noheda: ‘De films uit Dresden werden pas ferro-elektrisch nadat ze een aantal keren omgeschakeld werden. Dat was een van de redenen waarom mensen dachten dat die ferro-elektriciteit niet echt was. Wat we nu denken is dat de ‘wekcyclus’ nodig was om de dipolen in dezelfde richting te krijgen in de ‘onzuivere’ films, waarin dat niet vanzelf was gebeurd. In ons materiaal stonden de dipolen direct al in dezelfde richting.’

Volgens Noheda staat het resultaat als een huis: hafnium oxide is ferro-elektrisch op nanoschaal. Dit betekent dat het mogelijk is zeer klein bits te maken, die zijn te schakelen met een lage spanning. Bovendien is het substraat dat in dit onderzoek gebruikt is magnetisch en de combinatie van magnetisme en ferro-elektriciteit geeft meer vrijheidsgraden, zodat een bit twee keer zoveel informatie kan opslaan. Nu duidelijk is hoe ferro-elektriciteit op nanoschaal ontstaat, lijkt het aannemelijk dat ook andere eenvoudige oxiden vergelijkbare eigenschappen hebben. Noheda verwacht in ieder geval dat haar resultaten heel veel nieuw onderzoek in gang zal zetten.

Referentie: Yingfen Wei, Pavan Nukala, Mart Salverda, Sylvia Matzen, Hong Jian Zhao, Jamo Momand, Arnoud Everhardt, Graeme R. Blake, Philippe Lecoeur, Bart J. Kooi, Jorge Íñiguez, Brahim Dkhil, Beatriz Noheda: A rhombohedral ferroelectric phase in epitaxially strained Hf_0.5Zr_0.5O₂ thin films. Nature Materials 22 October 2018