研究人員利用位于 ORNL 的 DOE 納米材料科學(xué)中心的超高真空原子力顯微鏡，在氧化鋯鉿中發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的環(huán)境誘導(dǎo)鐵電相變，這種材料對(duì)開(kāi)發(fā)先進(jìn)半導(dǎo)體非常重要。資料來(lái)源：Arthur Baddorf/ORNL，能源部
像鉿這樣的材料具有鐵電性，這意味著它們即使在沒(méi)有電源的情況下也能長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這些特性表明，這些材料可能成為開(kāi)發(fā)新型非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的關(guān)鍵。創(chuàng)新的非易失性存儲(chǔ)器應(yīng)用將減輕數(shù)據(jù)不斷傳輸?shù)蕉唐诖鎯?chǔ)器所產(chǎn)生的熱量，從而為創(chuàng)建更大、更快的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)鋪平道路。
了解hafnia的電氣行為
科學(xué)家們探索了大氣層是否會(huì)影響hafnia在外部電場(chǎng)作用下改變其內(nèi)部電荷排列的能力。目的是解釋在霞糠研究中發(fā)現(xiàn)的一系列不尋常現(xiàn)象。研究小組的研究成果最近發(fā)表在《自然-材料》雜志上。
"我們最終證明，這些系統(tǒng)中的鐵電行為是與表面耦合在一起的，并且可以通過(guò)改變周?chē)拇髿猸h(huán)境來(lái)調(diào)整。在此之前，這些系統(tǒng)的工作原理只是一種推測(cè)，一種基于我們小組和全球多個(gè)小組大量觀察結(jié)果的假設(shè)，"ORNL 納米材料科學(xué)中心研究員凱爾-凱利（Kyle Kelley）說(shuō)。CNMS 是能源部科學(xué)辦公室的用戶(hù)設(shè)施。凱利與田納西大學(xué)諾克斯維爾分校的謝爾蓋-卡利寧合作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并構(gòu)思了該項(xiàng)目。
表面層和存儲(chǔ)器應(yīng)用
通常用于存儲(chǔ)器應(yīng)用的材料都有一個(gè)表面層或死層，會(huì)影響材料存儲(chǔ)信息的能力。當(dāng)材料被縮小到只有幾納米厚時(shí)，死層的影響就會(huì)變得非常嚴(yán)重，足以完全阻止其功能特性。通過(guò)調(diào)整表層的行為，在hafnia，這使得材料從反鐵電狀態(tài)過(guò)渡到鐵電狀態(tài)。
Kelley說(shuō)："最終，這些發(fā)現(xiàn)為鉿的預(yù)測(cè)建模和設(shè)備工程提供了一條途徑，鑒于這種材料在半導(dǎo)體工業(yè)中的重要性，這是迫切需要的。"
預(yù)測(cè)建模使科學(xué)家能夠利用以前的研究來(lái)估計(jì)未知系統(tǒng)的特性和行為。Kelley 和 Kalinin 領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究主要關(guān)注的是與氧化鋯（一種陶瓷材料）混合的hafnia合金。不過(guò)，未來(lái)的研究可以利用這些發(fā)現(xiàn)來(lái)預(yù)測(cè)二氧化鉿與其他元素合金化后的行為。
研究方法與合作
這項(xiàng)研究依賴(lài)于手套箱內(nèi)和環(huán)境條件下的原子力顯微鏡以及超高真空原子力顯微鏡，這些方法都是 CNMS 可以提供的。
凱利說(shuō)："利用 CNMS 的獨(dú)特能力，我們能夠完成這類(lèi)工作。我們基本上改變了環(huán)境，從環(huán)境氣氛一直到超高真空。換句話(huà)說(shuō)，我們把大氣中的所有氣體都去除到可以忽略不計(jì)的程度，然后測(cè)量這些反應(yīng)，這是很難做到的。"
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)材料表征設(shè)施的團(tuán)隊(duì)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)的合作者則領(lǐng)導(dǎo)了材料開(kāi)發(fā)和優(yōu)化工作。
ORNL的劉永濤（CNMS研究員）進(jìn)行了環(huán)境壓電響應(yīng)力顯微鏡測(cè)量。支撐該研究項(xiàng)目的模型理論是卡利寧和烏克蘭國(guó)家科學(xué)院物理研究所的安娜-莫羅佐夫斯卡長(zhǎng)期合作研究的成果。
團(tuán)隊(duì)的見(jiàn)解
Kalinin說(shuō)："我與基輔的同事在鐵電物理和化學(xué)方面已經(jīng)合作了近 20 年。他們幾乎是在該國(guó)戰(zhàn)爭(zhēng)的前線(xiàn)為這篇論文做了大量工作。這些人一直在我們大多數(shù)人無(wú)法想象的條件下從事科學(xué)研究。"
研究小組希望，他們的發(fā)現(xiàn)將激發(fā)新的研究，專(zhuān)門(mén)探索受控表面和界面電化學(xué)的作用--電和化學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)系。
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