Один нанометр — и обычный материал превращается в память будущего: ученые нашли у диоксида титана неожиданное свойство на атомарной толщине
Ученые обнаружили неожиданное свойство диоксида титана (TiO₂): материал, который в обычном состоянии не является сегнетоэлектриком, приобретает такие свойства при толщине пленки около 3 нм и менее. Причем эффект сохраняется даже при толщине всего 1 нм. Открытие может помочь в создании сверхкомпактной энергонезависимой памяти и энергоэффективной логики. Исследование провели специалисты Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.
Он превращается в сегнетоэлектрик
Изображение сгенерировано Gemini
Сегнетоэлектрики обладают собственной электрической поляризацией, направление которой можно переключать внешним полем. Благодаря этому два устойчивых состояния материала можно использовать для хранения информации без постоянной подачи питания. Обычно при сильном уменьшении толщины такие свойства, наоборот, ослабевают или исчезают.
Исследователи решили проверить обратный сценарий: может ли обычный диэлектрик приобрести сегнетоэлектрические свойства именно из-за уменьшения толщины. Для этого они изготовили методом атомно-слоевого осаждения пленки TiO₂ толщиной от 1 до 10 нм. Материал удалось наносить непосредственно на кремний, диоксид кремния и углеродные поверхности при температуре ниже 400 °C.
Неожиданная трансформация начиналась примерно на отметке 3 нм. По мере уменьшения толщины кристаллическая решетка TiO₂ все сильнее искажалась, ее симметрия нарушалась, а атомы смещались. В результате возникала переключаемая электрическая поляризация — один из главных признаков сегнетоэлектрического состояния.
Ученые подтвердили эффект сразу несколькими методами, включая анализ взаимодействия пленок с поляризованным рентгеновским излучением, пьезоотклик и измерение поляризации.
Самое интересное, что чем тоньше становилась пленка, тем сильнее проявлялось структурное искажение. Сегнетоэлектрическое состояние сохранялось даже при толщине около 1 нм.
Для микроэлектроники это может оказаться особенно интересным. Сегнетоэлектрические элементы способны переключаться при относительно небольших напряжениях и сохранять записанное состояние без постоянного питания. Такие свойства рассматриваются как основа для энергонезависимой памяти и низкопотребляющей вычислительной логики.
Еще один плюс TiO₂ в том, что это давно известный и широко используемый материал, хорошо изученный промышленностью. Его потенциальная совместимость с существующими кремниевыми технологиями может упростить дальнейшую интеграцию.
До появления процессоров или памяти на основе таких пленок еще далеко. Исследователям предстоит выяснить, насколько долговечен эффект, сколько циклов переключения выдерживает материал и сможет ли он сохранять свойства в составе реальных транзисторов и ячеек памяти.
Открытие интересно и с более фундаментальной точки зрения: оказывается, материал может кардинально менять электрические свойства при переходе к почти атомарной толщине. Ученые намерены использовать этот принцип для поиска других веществ, способных приобретать необычные свойства при сильном уменьшении размеров.