Исследование физиков МФТИ поможет создать новые типы памяти для компьютеров

Направление вектора поляризации и пьезоэлектрические характеристики пленок оксида гафния первыми измерили ученые из Московского физико-технического института (национальный исследовательский университет), 1 августа об этом сообщает журнал МФТИ «За науку».

Результаты исследования ученые представили в статье «Раскрытие наномасштабного механизма изменения поляризации в сегнетоэлектрическом конденсаторе на основе Hf₀, ₅Zr₀, ₅O₂ с помощью векторной микроскопии пьезоэлектрического отклика», опубликованной в журнале Nanoscale.

Полученные исследователями данные будут полезными для улучшения характеристик и надежности как существующих устройств на основе оксида гафния, например аналогов жестких дисков, так и при создании новых типов памяти из данного материала.

Соединения оксида гафния используются в процессорах с 2007 года, заменяя оксид кремния в транзисторах в качестве подзатворного диэлектрика (на который наносится металлический электрод). Позже было установлено, что оксид гафния можно сделать сегнетоэлектриком.

К сегнетоэлектрикам относятся материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой можно менять с помощью электрического поля. При этом оно сохраняется при снятии напряжения. Это свойство позволяет использовать сегнетоэлектрики для записи и хранения информации в энергонезависимых носителях, где, например, битом со значением 1 будет направление поляризации вверх, а нулем — направление вниз.

Оксид гафния как сегнетоэлектрик имеет перед другими материалами с аналогичными свойствами преимущество в том, что его уже используют заводы, производящие микроэлектронные приборы. Это позволит переконфигурировать заводские линии под производство новых микросхем памяти относительно недорого, а массовый выпуск устройств сегнетоэлектрической памяти производителям коммерчески выгоден.

Препятствием в настоящее время выступает недостаточная изученность некоторых свойств оксида гафния. Так, было неизвестно направление поляризации в тонких пленках — перпендикулярно оно поверхности или находится под углом к ней, и если под углом, то какова его величина.

Знание угла направления поляризации необходимо для более осознанной разработки устройств из этого материала, так как характеристики сегнетоэлектрической памяти того или иного типа определяются либо вертикальной, либо горизонтальной компонентой вектора поляризации.

В продолжение своих многолетних работ по изучению свойств оксида гафния и созданию микроэлектроники на его основе физики МФТИ провели новое исследование.

В нем они для определения фундаментальных свойств этого материала — направления вектора поляризации и пьезоэлектрического отклика — использовали метод векторной микроскопии пьезоотклика оксида гафния в форме пленок толщиной 10 нанометров.

Соавтор исследования, заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ Анастасия Чуприк рассказала:

«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».

Она пояснила важность этих данных, так как от ориентации вектора поляризации зависит, в какого типа устройствах этот материал лучше применять. Также существует неразрывная связь его сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических свойств. А для разработки пьезоэлектрических устройств микросистемной техники большой интерес представляет знание пьезоэлектрических коэффициентов оксида гафния.

Свойство материала менять внутреннее поле при сжатии или растяжении (прямой эффект) или, наоборот, деформироваться при приложении электрического поля (обратный эффект) называется пьезоэлектрическим откликом. Все сегнетоэлектрики имеют это свойство. У оксида гафния обратный пьезоэлектрический эффект проявляется слабо, но его можно использовать для измерений свойств материала.

Так как существует связь пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических характеристик материалов, ученые одновременно в таком исследовании могут получить данные и о сегнетоэлектрической поляризации, и о пьезоэлектрической деформации материала при воздействии электрического поля.

Пьезоэлектрический отклик исследователи определяли с помощью атомно-силового микроскопа. Этот прибор измеряет рельеф поверхности с точностью до тысячной доли нанометра.

Экспериментаторы взяли тонкую иголочку, диаметр которой в 10 000 раз меньше человеческого волоса, и закрепили ее на балке. Когда пьезоэлектрический эффект приподнимал или опускал пленку в вертикальном направлении, балка чуть поднималась или опускалась, а при сдвиге поверхности пленки в горизонтальной плоскости балка скручивалась.

Эти изменения положения поверхности образца фиксировались микроскопом, и по ним можно было судить о том, насколько материал деформировался при приложении поля и куда был направлен вектор поляризации.

При этом для измерения эффекта в горизонтальной плоскости физики из МФТИ разработали собственный метод измерений. «Из-за того, что отклик на электрическое поле у оксида гафния очень маленький, мало кто умеет делать такие измерения, — отметила Анастасия Чуприк, — мы в этом направлении были первыми».

По результатам экспериментов было установлено, что в горизонтальной плоскости материал деформируется в 7 раз сильнее, чем в вертикальном направлении, что может быть использовано для применения оксида гафния в области энергонезависимой памяти: если этот материал расположить рядом с ферромагнетиком, он сможет менять его намагниченность.

Также исследователи МФТИ впервые выяснили, как в действительности работает в оксиде гафния механизм переключения поляризации. Теоретически направление поляризации должно меняться строго на 180 градусов: сверху вниз и наоборот. Так и происходило на большей части пленки, но не на всей. На некоторых участках вектор поляризации поворачивался на другой угол.

Ученые полагают, что при выращивании пленок в материале возникают механические напряжения, которые сильно влияют на величину остаточной поляризации, и от них зависит, насколько хорошим будет устройство постоянной памяти на основе оксида гафния.

Физики намерены использовать полученные знания о механизме поляризации для развития инженерии устройств памяти на сегнетоэлектриках, а пьезоэлектрический эффект использовать для разработки приборов на тонких пьезоэлектрических мембранах.

«Далее мы будем изучать, как влияют различные технологические шаги в процессе изготовления функциональной структуры на ее окно памяти и связь окна памяти с микроскопической природой свойств материала. Эти результаты полезны для инженерии материалов и характеристик памяти на их основе», — сообщила Анастасия Чуприк.