La migration de l’oxygène permet la ferroélectricité à l’échelle nanométrique – Technoguide

Les films minces à base d’hafnium, d’une épaisseur de seulement quelques nanomètres, présentent une forme non conventionnelle de ferroélectricité. Cela permet la construction de mémoires ou de dispositifs logiques de taille nanométrique. Cependant, il n’était pas clair comment la ferroélectricité pourrait se produire à cette échelle. Une étude menée par des scientifiques de l’Université de Groningen a montré comment les atomes se déplacent dans un condensateur à base de hafnium: les atomes d’oxygène en migration (ou les lacunes) sont responsables de la commutation et du stockage de charge observés. Les résultats, publiés en ligne par la revue Science le 15 avril, ouvrent la voie à de nouveaux matériaux ferroélectriques.

Les matériaux ferroélectriques présentent une polarisation spontanée, qui peut être inversée ou commutée à l’aide d’un champ électrique. Il est utilisé dans les mémoires non volatiles ou dans la construction de dispositifs logiques. Un inconvénient de ces matériaux est que lorsque la taille des cristaux est réduite en dessous d’une certaine limite, les propriétés ferroélectriques sont perdues. Cependant, il y a quelques années, il a été suggéré que les oxydes à base d’hafnium pourraient présenter de la ferroélectricité à des dimensions nanométriques.

Microscope

En 2018, une équipe dirigée par Beatriz Noheda, professeur de nanomatériaux fonctionnels à l’Université de Groningen, a confirmé ces propriétés particulières des oxydes d’hafnium. «Cependant, nous ne savions pas exactement comment cette ferroélectricité s’est produite», dit-elle. «Nous savions que le mécanisme de ces membranes minces à base de hafnium est différent. La commutation ferroélectrique étant quelque chose qui se produit à l’échelle atomique, nous avons décidé d’étudier comment la structure atomique de ce matériau répond à un champ électrique, à la fois en utilisant la puissante source de rayons X du synchrotron MAX-IV à Lund et notre formidable microscope électronique. à Groningen.

L’Université abrite un microscope électronique à la pointe de la technologie au centre de microscopie électronique de l’Institut Zernike pour les matériaux avancés, avec lequel le groupe de Bart Kooi, co-auteur de l’article scientifique, a réussi à imager les atomes les plus légers de la période périodique. table – hydrogène – pour la première fois en 2020. C’est là qu’intervient le premier auteur Pavan Nukala. Il a travaillé comme chercheur Marie Curie à l’Université de Groningen et a une formation en microscopie électronique et en science des matériaux, en particulier dans ces domaines. systèmes hafnium ferroélectriques.

Oxygène

Cependant, si la préparation d’un échantillon pour l’imagerie des atomes est délicate, alors la nécessité d’appliquer un champ électrique à travers un dispositif in situ augmente la difficulté de plusieurs ordres de grandeur. Heureusement, à peu près au même moment, Majid Ahmadi (un maître des expériences in situ) a rejoint le groupe de Kooi. «Nous étions tous convaincus que s’il y avait un endroit où la commutation du hafnium pouvait être visualisée in situ à l’échelle atomique, ce serait ici au centre de microscopie électronique ZIAM. Il bénéficie d’une combinaison unique de la bonne expertise en science des matériaux, en microscopie et en infrastructure », explique Noheda.

Les protocoles appropriés pour la construction de condensateurs transparents aux électrons à base de hafnium utilisant une installation de faisceau d’ions focalisé ont été développés par Ahmadi et Nukala. «Nous avons imaginé le réseau atomique d’oxyde de hafnium-zirconium entre deux électrodes, y compris les atomes d’oxygène légers», explique Nukala. «Les gens pensaient que le déplacement des atomes d’oxygène dans l’hafnium donnait lieu à une polarisation. Ainsi, toute microscopie n’aurait de sens que si l’oxygène pouvait être imagé et que nous avions l’outil exact pour cela. Ensuite, nous avons appliqué une tension externe au condensateur et observé les changements atomiques en temps réel. Une telle expérience in situ d’imagerie directe des atomes d’oxygène à l’intérieur du microscope électronique n’avait jamais été réalisée.

Migration

«Une caractéristique importante que nous avons observée est que les atomes d’oxygène se déplacent», explique Nukala. «Ils sont chargés et migrent en suivant le champ électrique entre les électrodes à travers la couche d’hafnium. Un tel transport de charge réversible permet la ferroélectricité ». Noheda ajoute: “C’était une grosse surprise.” Il y a en effet également un petit décalage des positions atomiques à l’échelle du picomètre à l’intérieur des cellules unitaires mais l’effet global de la migration de l’oxygène d’un côté à l’autre sur la réponse du dispositif est beaucoup plus important. Cette découverte ouvre la voie à de nouveaux matériaux qui pourraient être utilisés pour des dispositifs de stockage et logiques de taille nanométrique. «Les mémoires ferroélectriques à base de hafnium sont déjà en production, même si le mécanisme derrière leur comportement était inconnu», explique Nukala. “Nous avons maintenant ouvert la voie vers une nouvelle génération de matériaux ferroélectriques conducteurs d’oxygène et compatibles avec le silicium.”

Noheda, qui est le directeur de CogniGron, le Groningen Cognitive Systems and Materials Center, qui développe de nouveaux matériaux pour l’informatique cognitive, peut voir des applications intéressantes pour le nouveau type de matériaux ferroélectriques. «La migration de l’oxygène est beaucoup plus lente que la commutation dipolaire. Dans les systèmes de mémoire qui pourraient imiter la mémoire à court et à long terme des cellules cérébrales, les scientifiques des matériaux tentent actuellement de créer des systèmes hybrides à partir de différents matériaux pour combiner ces deux mécanismes. «Nous pouvons maintenant le faire dans le même matériau. Et en contrôlant le mouvement de l’oxygène, nous pourrions créer des états intermédiaires, encore une fois, comme vous le trouvez dans les neurones.

Les défauts

Nukala, qui est maintenant professeur adjoint à l’Institut indien des sciences, s’intéresse également à l’exploration des propriétés piézoélectriques ou électromécaniques du matériau. «Tous les ferroélectriques conventionnels sont également piézoélectriques. Qu’en est-il de ces nouveaux ferroélectriques non toxiques et respectueux du silicium? Il y a là une opportunité d’explorer leur potentiel dans les systèmes microélectromécaniques ».

Au final, les propriétés de ce nouveau matériau proviennent d’imperfections. «L’oxygène ne peut voyager que parce qu’il y a des lacunes d’oxygène à l’intérieur de la structure cristalline», explique Nukala. «En fait, vous pourriez également décrire ce qui se passe comme une migration de ces postes vacants. Ces défauts structurels sont la clé du comportement ferroélectrique et, en général, confèrent aux matériaux de nouvelles propriétés ».

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