Ученые МФТИ впервые обнаружили и объяснили причину «пробуждения» сегнетоэлектрических пленок оксида гафния. Этот материал используется при создании новых запоминающих устройств, способных заменить собой флешки. Открытие поможет повысить надежность работы микросхем сегнетоэлектрической памяти. Статья опубликована в журнале Acta Materialia.
Сегнетоэлектрические пленки оксида гафния являются основой запоминающих устройств нового поколения, которые придут на смену флешкам. Такая память гораздо быстрее памяти обычных флеш-карт и имеет значительно больший срок службы, когда речь идет о количестве возможных циклов записи и перезаписи информации. Однако у нее есть некоторые недостатки, которые необходимо устранить перед массовым внедрением. Например, при многократной перезаписи информации изменяется так называемое «окно памяти» — диапазон значений, при которых устройства могут корректно различать и хранить данные.
Это связано с изменением остаточной поляризации пленки: она изначально довольно мала, но при многократных переключениях постепенно увеличивается. Ученые называют такое явление «пробуждением» сегнетоэлектрика. Его физическая природа до сих пор не была ясна.
Предположительно причина пробуждения связана с условиями, в которых изготовлена пленка. Чтобы сделать сегнетоэлектрическую память более эффективной, важно понять, как создать пленки в изначально «пробужденном» состоянии. В новой работе ученые МФТИ изучили физическую природу этого эффекта.
«Оказалось, что пробуждение поляризации связано с изменением структуры пленок оксида гафния. Конкретно с поворотом полярной оси кристаллической решетки — направления, вдоль которого проявляется сегнетоэлектрическая поляризация. Причина этих изменений в структуре заключается в механическом напряжении, возникающем во время обработки пленки при температуре около 500°C, когда аморфная пленка переходит в кристаллическое состояние. Во время переключения поляризации в микросхемах памяти используется электрическое напряжение. Оно может вызывать изменения в кристаллической решетке, которые, в свою очередь, пытаются компенсировать механическое напряжение. Решетка «поворачивается», чтобы снизить это напряжение, что приводит к увеличению поляризации и, соответственно, к расширению окна памяти», — рассказала Анастасия Чуприк, заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Ученые использовали так называемый метод синхротронной рентгеновской дифрактометрии при исследовании работающей ячейки памяти с помощью рентгеновских лучей синхротрона. В ходе опытов они также выяснили, что после завершения процесса «пробуждения» полярная ось может продолжать поворачиваться при переключении поляризации.
«Это неожиданный результат, потому что переключение поляризации эквивалентно перевороту образца вверх ногами, а поворот полярной оси означает нарушение симметрии решетки — явление, ранее вообще не известное в физике сегнетоэлектриков. Оно может быть связано с существованием областей локальных остаточных механических напряжений», — рассказал Илья Марголин, младший научный сотрудник лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Ранее считалось, что природа пробуждения сегнетоэлектрических пленок оксида гафния может быть другой. Теперь стало понятно, что она зависит от условий изготовления пленки. При этом явление нарушения симметрии в решетки сегнетоэлектрика было обнаружено впервые.
Результаты исследования указывают, что для придания пленке оксида гафния большей поляризации нужно уменьшить в ней механическое напряжение путем управления функциональными материалами электродов, условиями их роста и роста самой пленки, а также условиями температурного отжига. Для получения более полной информации о влиянии условий изготовления ячейки памяти на стабильность окна памяти, ученые планируют исследовать влияние конкретных условий на структурную перестройку.
Нарушение симметрии при переключении поляризации — важное новое фундаментальное явление в физике сегнетоэлектриков. Оно может быть причиной неэквивалентности состояний, соответствующих битам информации 0 и 1, которая наблюдается в микросхемах и влияет на качество передачи информации.
