氧化鉿：揭開下一代半導體的秘密

美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家研究了二氧化鉿（hafnium oxide）在半導體應用中的潛力，揭示了其行為可能受到周圍大氣的影響。他們的發現為未來的存儲技術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，這意味著即使在沒有電源的情況下它們也可以長時間存儲數據。這些特性表明這些材料可能在開發新的非易失性存儲技術方面發揮關鍵作用。創新的非易失性存儲器應用將通過減輕數據持續傳輸到短期存儲器所產生的熱量，為創建更大、更快的計算機系統鋪平道路。

了解 Hafnia 的電氣行為

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

「我們已經最終證明，這些系統中的鐵電行為與表面耦合，并且可以通過改變周圍的大氣來調節。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小組的大量觀察得出的假設，」ORNL 納米相材料科學中心的研究員凱爾·凱利 (Kyle Kelley) 說。CNMS 是美國能源部科學辦公室的用戶設施。

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

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，將材料從反鐵電態轉變為鐵電態。

凱利說：「最終，這些發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的重要性，這是迫切需要的。」

預測建模使科學家能夠利用以前的研究來估計未知系統的屬性和行為。凱利和加里寧領導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，未來的研究可以應用這些發現來預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和環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境，從環境大氣到超高真空。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，這是極其困難的。」

卡內基梅隆大學材料表征設施的團隊成員通過提供電子顯微鏡表征在研究中發揮了關鍵作用，弗吉尼亞大學的合作者領導了材料的開發和優化。

ORNL 的 CNMS 研究員 Yongtao Liu 進行了環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院物理研究所 Kalinin 和 Anna Morozovska 長期研究合作的成果。

團隊的見解

「我與基輔的同事在鐵電體物理和化學領域工作了近 20 年，」Kalinin 說。「當他們幾乎身處該國戰爭的前線時，他們為這篇論文做了很多工作。這些人在我們大多數人無法想象的條件下繼續從事科學研究。」

該團隊希望他們的發現能夠激發新的研究，專門探索受控表面和界面電化學（電與化學反應之間的關系）在計算設備性能中的作用。

凱利說：「未來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，希望這將是一個好的方式。通常，當縮放到這些厚度時，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狀態到另一種物質狀態的轉變。」

Kalinin 補充道：「傳統上，我們在原子水平上探索表面，以了解化學反應性和催化作用或化學反應速率的改變等現象。同時，在傳統半導體技術中，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，事實上，這兩個區域——表面和電化學——是相互關聯的。我們可以利用這些材料的表面來調整它們的整體功能特性。」