氧化鉿：揭開(kāi)下一代半導體的秘密

美國能源部橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室的科學(xué)家研究了二氧化鉿（hafnium oxide）在半導體應用中的潛力，揭示了其行為可能受到周?chē)髿獾挠绊?。他們的發(fā)現為未來(lái)的存儲技術(shù)提供了有希望的啟示，因為它具有在新型半導體應用中的潛力。

像氧化鉿這樣的材料具有鐵電性，這意味著(zhù)即使在沒(méi)有電源的情況下它們也可以長(cháng)時(shí)間存儲數據。這些特性表明這些材料可能在開(kāi)發(fā)新的非易失性存儲技術(shù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。創(chuàng )新的非易失性存儲器應用將通過(guò)減輕數據持續傳輸到短期存儲器所產(chǎn)生的熱量，為創(chuàng )建更大、更快的計算機系統鋪平道路。

了解 Hafnia 的電氣行為

科學(xué)家們探索了當施加外部電場(chǎng)時(shí)，大氣是否在二氧化鉿改變其內部電荷排列的能力中發(fā)揮作用。目的是解釋在二氧化鉿研究中獲得的一系列不尋?，F象。該團隊的研究結果最近發(fā)表在《自然材料》雜志上。

「我們已經(jīng)最終證明，這些系統中的鐵電行為與表面耦合，并且可以通過(guò)改變周?chē)拇髿鈦?lái)調節。以前，這些系統的工作原理都是推測，這是基于我們小組和世界各地多個(gè)小組的大量觀(guān)察得出的假設，」ORNL 納米相材料科學(xué)中心的研究員凱爾·凱利 (Kyle Kelley) 說(shuō)。CNMS 是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶(hù)設施。

凱利與田納西大學(xué)諾克斯維爾分校的謝爾蓋·加里寧 (Sergei Kalinin) 合作進(jìn)行了實(shí)驗并設想了該項目。

表層與內存應用

通常用于存儲器應用的材料具有表面層或死層，該層會(huì )干擾材料存儲信息的能力。隨著(zhù)材料縮小到只有幾納米厚，死層的影響變得極端到足以完全停止功能特性。通過(guò)改變大氣，科學(xué)家們能夠調整表面層的行為，在氧化鉿中，將材料從反鐵電態(tài)轉變?yōu)殍F電態(tài)。

凱利說(shuō)：「最終，這些發(fā)現為鉿的預測建模和設備工程提供了一條途徑，鑒于這種材料在半導體行業(yè)的重要性，這是迫切需要的?！?/span>

預測建模使科學(xué)家能夠利用以前的研究來(lái)估計未知系統的屬性和行為。凱利和加里寧領(lǐng)導的研究重點(diǎn)是氧化鉿與陶瓷材料氧化鋯的合金或混合。然而，未來(lái)的研究可以應用這些發(fā)現來(lái)預測二氧化鉿與其它元素形成合金時(shí)的行為。

研究方法與合作

該研究依賴(lài)于手套箱內和環(huán)境條件下的原子力顯微鏡，以及 CNMS 提供的超高真空原子力顯微鏡方法。

「利用獨特的 CNMS 功能使我們能夠完成此類(lèi)工作，」凱利說(shuō)?！肝覀兓旧细淖兞谁h(huán)境，從環(huán)境大氣到超高真空。換句話(huà)說(shuō)，我們將大氣中的所有氣體去除到可以忽略不計的水平，并測量了這些反應，這是極其困難的?！?/span>

卡內基梅隆大學(xué)材料表征設施的團隊成員通過(guò)提供電子顯微鏡表征在研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，弗吉尼亞大學(xué)的合作者領(lǐng)導了材料的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。

ORNL 的 CNMS 研究員 Yongtao Liu 進(jìn)行了環(huán)境壓力響應力顯微鏡測量。

支持該研究項目的模型理論是烏克蘭國家科學(xué)院物理研究所 Kalinin 和 Anna Morozovska 長(cháng)期研究合作的成果。

團隊的見(jiàn)解

「我與基輔的同事在鐵電體物理和化學(xué)領(lǐng)域工作了近 20 年，」Kalinin 說(shuō)?！府斔麄儙缀跎硖幵搰鴳馉幍那熬€(xiàn)時(shí)，他們?yōu)檫@篇論文做了很多工作。這些人在我們大多數人無(wú)法想象的條件下繼續從事科學(xué)研究?！?/span>

該團隊希望他們的發(fā)現能夠激發(fā)新的研究，專(zhuān)門(mén)探索受控表面和界面電化學(xué)（電與化學(xué)反應之間的關(guān)系）在計算設備性能中的作用。

凱利說(shuō)：「未來(lái)的研究可以將這些知識擴展到其他系統，以幫助我們了解界面如何影響設備屬性，希望這將是一個(gè)好的方式。通常，當縮放到這些厚度時(shí)，界面會(huì )破壞你的鐵電特性。在這個(gè)例子中，它向我們展示了從一種物質(zhì)狀態(tài)到另一種物質(zhì)狀態(tài)的轉變?！?/span>

Kalinin 補充道：「傳統上，我們在原子水平上探索表面，以了解化學(xué)反應性和催化作用或化學(xué)反應速率的改變等現象。同時(shí)，在傳統半導體技術(shù)中，我們的目標只是保持表面清潔，免受污染物影響。我們的研究表明，事實(shí)上，這兩個(gè)區域——表面和電化學(xué)——是相互關(guān)聯(lián)的。我們可以利用這些材料的表面來(lái)調整它們的整體功能特性?！?/span>