氧化鉿：揭開下一代半導(dǎo)體的秘密

美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學(xué)家研究了二氧化鉿（hafnium oxide）在半導(dǎo)體應(yīng)用中的潛力，揭示了其行為可能受到周圍大氣的影響。他們的發(fā)現(xiàn)為未來的存儲技術(shù)提供了有希望的啟示，因為它具有在新型半導(dǎo)體應(yīng)用中的潛力。

像氧化鉿這樣的材料具有鐵電性，這意味著即使在沒有電源的情況下它們也可以長時間存儲數(shù)據(jù)。這些特性表明這些材料可能在開發(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(yīng)用將通過減輕數(shù)據(jù)持續(xù)傳輸?shù)蕉唐诖鎯ζ魉a(chǎn)生的熱量，為創(chuàng)建更大、更快的計算機系統(tǒng)鋪平道路。

了解 Hafnia 的電氣行為

科學(xué)家們探索了當(dāng)施加外部電場時，大氣是否在二氧化鉿改變其內(nèi)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常現(xiàn)象。該團(tuán)隊的研究結(jié)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(tǒng)中的鐵電行為與表面耦合，并且可以通過改變周圍的大氣來調(diào)節(jié)。以前，這些系統(tǒng)的工作原理都是推測，這是基于我們小組和世界各地多個小組的大量觀察得出的假設(shè)，」ORNL 納米相材料科學(xué)中心的研究員凱爾·凱利 (Kyle Kelley) 說。CNMS 是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)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)行了實驗并設(shè)想了該項目。

表層與內(nèi)存應(yīng)用

通常用于存儲器應(yīng)用的材料具有表面層或死層，該層會干擾材料存儲信息的能力。隨著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。通過改變大氣，科學(xué)家們能夠調(diào)整表面層的行為，在氧化鉿中，將材料從反鐵電態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電態(tài)。

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

預(yù)測建模使科學(xué)家能夠利用以前的研究來估計未知系統(tǒng)的屬性和行為。凱利和加里寧領(lǐng)導(dǎo)的研究重點是氧化鉿與陶瓷材料氧化鋯的合金或混合。然而，未來的研究可以應(yīng)用這些發(fā)現(xiàn)來預(yù)測二氧化鉿與其它元素形成合金時的行為。

研究方法與合作

該研究依賴于手套箱內(nèi)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工作，」凱利說。「我們基本上改變了環(huán)境，從環(huán)境大氣到超高真空。換句話說，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(yīng)，這是極其困難的。」

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)材料表征設(shè)施的團(tuán)隊成員通過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(dǎo)了材料的開發(fā)和優(yōu)化。

ORNL 的 CNMS 研究員 Yongtao Liu 進(jìn)行了環(huán)境壓力響應(yīng)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 長期研究合作的成果。

團(tuán)隊的見解

「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?！府?dāng)他們幾乎身處該國戰(zhàn)爭的前線時，他們?yōu)檫@篇論文做了很多工作。這些人在我們大多數(shù)人無法想象的條件下繼續(xù)從事科學(xué)研究?！?/span>

該團(tuán)隊希望他們的發(fā)現(xiàn)能夠激發(fā)新的研究，專門探索受控表面和界面電化學(xué)（電與化學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)系）在計算設(shè)備性能中的作用。

凱利說：「未來的研究可以將這些知識擴(kuò)展到其他系統(tǒng)，以幫助我們了解界面如何影響設(shè)備屬性，希望這將是一個好的方式。通常，當(dāng)縮放到這些厚度時，界面會破壞你的鐵電特性。在這個例子中，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(zhuǎn)變?！?/span>

Kalinin 補充道：「傳統(tǒng)上，我們在原子水平上探索表面，以了解化學(xué)反應(yīng)性和催化作用或化學(xué)反應(yīng)速率的改變等現(xiàn)象。同時，在傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)中，我們的目標(biāo)只是保持表面清潔，免受污染物影響。我們的研究表明，事實上，這兩個區(qū)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調(diào)整它們的整體功能特性。」