Физики из МФТИ впервые определили направление вектора поляризации в пленках оксида гафния и измерили, как меняются размеры пленки при приложении электрического поля. Результаты можно использовать для улучшения характеристик и надежности существующих устройств на основе оксида гафния, например аналогов жестких дисков и создания новых типов памяти из этого материала. Работа опубликована в журнале Nanoscale.
Соединения оксида гафния с 2007 года используются в процессорах, в том числе Intel, заменяя оксид кремния в транзисторах (как подзатворный диэлектрик). В 2011 году ученые обнаружили, что оксид гафния можно сделать сегнетоэлектриком. Сегнетоэлектрики — материалы, обладающие спонтанной поляризацией. С помощью электрического поля можно менять ее направление и тем самым использовать их для записи и хранения информации. Например, направление вверх будет битом со значением 1, а направление вниз — со значением 0. Такие носители информации энергонезависимы, другими словами, обладают постоянной памятью, достаточно лишь раз записать информацию на устройство. Преимуществом оксида гафния перед другими сегнетоэлектриками стало то, что он уже сейчас используется заводами, производящими микроэлектронные приборы. Поэтому переконфигурирование заводской линии под производство микросхем памяти относительно дешево, массовый выпуск производителям коммерчески выгоден, так что они заинтересованы в разработке сегнетоэлектрической памяти на основе оксида гафния. Однако некоторые свойства материала до сих пор плохо изучены. Например, было неизвестно, направлена поляризация строго перпендикулярно поверхности в тонких пленках или под углом, и если под углом, то под каким. Понимание этого поможет разрабатывать устройства из таких материалов более осознано, потому что характеристики сегнетоэлектрической памяти того или иного типа определяются либо вертикальной, либо горизонтальной компонентой вектора поляризации.
Физики из МФТИ несколько лет занимаются изучением свойств оксида гафния и созданием микроэлектроники на его основе. Новую работу они посвятили изучению фундаментальных свойств материала: направлению вектора поляризации и пьезоэлектрическому отклику. Для этой цели ученые использовали метод векторной микроскопии пьезоотклика. Они использовали оксид гафния в форме пленок толщиной 10 нанометров.
Анастасия Чуприк, заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ, рассказывает: «Мы проводим исследования с этим материалом восемь лет, у нас много очень прикладных работ, в том числе по микросхемам памяти. При этом в фундаментальных свойствах этого вещества много загадок. В нем сегнетоэлектричество необычное, не как в учебниках. Он подкидывает сюрпризы. Кроме того, до сих не было известно, как вектор поляризации ориентирован в пленках оксида гафния, а именно, под каким углом к плоскости пленок и как он поворачивается в электрическом поле. Это важно, потому что от того, как ориентирован вектор поляризации, зависит, в устройствах какого типа лучше применять этот материал. Кроме того, сегнетоэлектрические свойства и пьезоэлектрические свойства друг с другом неразрывно связаны, и большой интерес также представляет измерение пьезоэлектрических коэффициентов оксида гафния для разработки пьезоэлектрических устройств микросистемной техники».
Пьезоэлектрический отклик — свойство материала менять внутреннее поле при сжатии или растяжении (прямой эффект) или, наоборот, деформироваться при приложении электрического поля (обратный эффект). У всех сегнетоэлектриков встречается это свойство, в частности, у оксида гафния слабо проявляется обратный пьезоэлектрический эффект, но его можно использовать для измерений свойств материала. Поскольку пьезоэлектричество связано с сегнетоэлектричеством, ученые одновременно могут получить данные и о сегнетоэлектрической поляризации, и о пьезоэлектрической деформации материала при воздействии электрического поля.
Для вычисления пьезоэлектрического отклика физики использовали атомно-силовой микроскоп — прибор, который измеряет рельеф поверхности с точностью до тысячной доли нанометра. В качестве измерителя взяли тонкую иголочку (диаметром меньше человеческого волоса в 10 000 раз), которая закреплена на балке. Когда из-за пьезоэлектрического эффекта пленка поднималась или опускалась в вертикальном направлении, балка чуть поднималась или опускалась, а когда поверхность пленки сдвигалась в горизонтальной плоскости — балка скручивалась. Эти малейшие изменения положения поверхности образца фиксировались микроскопом и позволяли судить о силе эффекта: насколько материал деформировался при приложении поля, а также куда был направлен вектор поляризации.
Многие научные группы могут определять величину деформации только в вертикальном направлении, поэтому для измерения эффекта в горизонтальной плоскости физики из МФТИ разработали собственный метод измерений.
Анастасия Чуприк комментирует: «Из-за того, что отклик на электрическое поле у оксида гафния очень маленький, мало кто умеет делать такие измерения, мы в этом направлении были первыми. А векторная микроскопия заключается в том, чтобы получать распределение вектора поляризации по всему образцу, измеряя пьезоэлектрический отклик вещества по трем осям».
В результате ученые выяснили, что в горизонтальной плоскости материал деформируется в семь раз сильнее, чем в вертикальном направлении. Это открывает новые возможности для применения оксида гафния в области энергонезависимой памяти: материал может менять намагниченность ферромагнетиков, если их расположить рядом.
Второй значимый результат — Чуприк с коллегами впервые выяснили, как работает механизм переключения поляризации в оксиде гафния. Согласно теории, направление поляризации должно меняться строго на 180 градусов: сверху вниз и наоборот. На большей части пленки так и происходило, но на некоторых участках вектор поляризации поворачивался не на 180 градусов. Ученые объяснили это особенностями производства, выращивания пленок, из-за которых в материале возникают механические напряжения. Этот эффект сильно влияет на величину остаточной поляризации и определяет, насколько хорошим будет устройство постоянной памяти на основе оксида гафния. Стоит отметить, что напряжения могут отличаться в зависимости от нюансов изготовления пленки, и, возможно, поэтому разные научные группы получают оксид гафния с разными свойствами.
Физики планируют использовать понимание механизма поляризации, чтобы развивать инженерию устройств памяти из сегнетоэлектриков, а пьезоэлектрический эффект — для разработки приборов на тонких пьезоэлектрических мембранах.
«Мы с моим коллегой Максимом Спиридоновым получили основные экспериментальные данные еще в 2019 году, но тогда не смогли их объяснить и не понимали, как корректно сопоставить продольный и сдвиговый пьезоэлектрический отклик. Почти в то же время мы изобрели способ локального легирования пленок на основе оксида гафния, который позволяет создавать произвольный сегнетоэлектрический нанорисунок в несегнетоэлектрическом оксиде гафния и, наоборот, несегнетоэлектрический рисунок в сегнетоэлектрическом оксиде гафния. Это было полезно для разработки новых микроэлектронных и фотонных устройств, но еще и дало идею: сделать рисунок, с помощью которого можно измерить соотношение продольного и сдвигового пьезоэлектрических откликов и тем самым измерить продольный и сдвиговый пьезокоэффициенты оксида гафния. Оказалось, что сдвиговый пьезокоэффициент значительно больше продольного, что означает высокую перспективность данного материала для разработки устройств памяти и микросистемной техники, которые используют именно сдвиговый пьезоэффект. Что касается микроскопической природы переключения вектора поляризации — это, скорее, работа по фундаментальному материаловедению. Далее мы будем изучать, как влияют различные технологические шаги в процессе изготовления функциональной структуры на ее окно памяти и связь окна памяти с микроскопическими природой свойств материала. Эти результаты полезны для инженерии материалов и характеристик памяти на их основе», — поделилась Анастасия Чуприк.
