Usar ferroelectricidad en lugar de magnetismo en la memoria de la computadora ahorra energía. Si los bits ferroeléctricos fueran nanométricos, esto también ahorraría espacio. Pero la sabiduría convencional dicta que las propiedades ferroeléctricas desaparecen cuando los bits se hacen más pequeños. Informes de que el óxido de hafnio se puede usar para hacer unferroeléctricos a nanoescala aún no han convencido al campo. Los físicos de la Universidad de Groningen UG ahora han reunido evidencia que podría persuadir a los escépticos. Fue publicado en Materiales naturales el 22 de octubre
Los materiales ferroeléctricos tienen un momento dipolar espontáneo que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. Esto significa que pueden usarse para almacenar información, al igual que los bits magnéticos en un disco duro. La ventaja de los bits ferroeléctricos es que se pueden escribir en un bajovoltaje y potencia.Los bits magnéticos requieren grandes corrientes para crear un campo magnético para la conmutación y, por lo tanto, más potencia.La desventaja de los ferroeléctricos es que los dipolos alineados solo son estables en grupos bastante grandes, por lo que si hace que los cristales sean más pequeños, el momento dipolareventualmente desaparece.
escepticismo
'La reducción del tamaño de los materiales ferroeléctricos ha sido un tema de investigación durante más de 20 años', dice la profesora de Nanomateriales Funcionales de la UG, Beatriz Noheda. Hace unos ocho años, el Laboratorio de Materiales Nanoelectrónicos de Dresde, Alemania, anunció un gran avance.Afirmaron que las películas delgadas de óxido de hafnio eran ferroeléctricas cuando eran más delgadas que diez nanómetros y que las películas más gruesas en realidad perdían sus propiedades ferroeléctricas. Noheda: 'Esto iba en contra de todo lo que sabíamos, por lo que la mayoría de los científicos eran escépticos, incluyéndome a mí'.las muestras de hafnio ferroeléctrico utilizadas en estos estudios eran policristalinas y mostraban múltiples fases, lo que oscurecía cualquier comprensión fundamental clara de un fenómeno tan poco convencional.
Noheda y su grupo decidieron investigar. Querían estudiar estos cristales haciendo crecer películas limpias monofásicas sobre un sustrato. Usando técnicas de microscopía electrónica de dispersión de rayos X y de alta resolución, observaron que películas muy delgadas bajodiez nanómetros crecen en una estructura polar completamente inesperada y previamente desconocida, que es necesaria para la ferroelectricidad. Combinando estas observaciones con meticulosas mediciones de transporte, confirmaron que el material era realmente ferroeléctrico. 'En el sustrato que usamos, los átomos eran un pocoun poco más cerca que los del óxido de hafnio, por lo que los cristales de hafnio estarían un poco tensos ', explica Noheda.
fase polar
Para su sorpresa, notaron que la estructura cristalina cambiaba cuando las capas excedían los diez nanómetros, reproduciendo así los resultados del laboratorio de Dresde. Noheda: 'Usamos un método totalmente diferente, pero llegamos a conclusiones similares. Esto confirmó que la ferroelectricidad enLos cristales de óxido de hafnio nanométricos son de hecho reales y poco convencionales. Y eso planteó la pregunta: ¿por qué sucede esto? '
El denominador común en ambos estudios fue el tamaño. Los cristales pequeños se volvieron ferroeléctricos, mientras que los cristales más grandes perdieron esta propiedad. Esto llevó a los científicos a estudiar los diagramas de fase del óxido de hafnio. A un tamaño muy pequeño, las partículas tienen una energía superficial muy grande,creando presiones de hasta 5 gigapascales en el cristal. Los diagramas de fase muestran una disposición de cristal diferente a tal presión. 'Esta presión, junto con la deformación impuesta por el sustrato, induce una fase polar, que está en línea con la observación de que estoslos cristales son ferroeléctricos ', concluye Noheda.
ciclo de despertador
Un hallazgo más importante es que, a diferencia de las películas delgadas en Dresde, los nuevos cristales no necesitan un ciclo de 'activación' para volverse ferroeléctricos. Noheda: 'Las películas delgadas previamente estudiadas solo se volvieron ferroeléctricas después de pasar por unnúmero de ciclos de conmutación. Esto aumentó la sospecha de que la ferroelectricidad era una especie de artefacto. Ahora creemos que los ciclos de activación eran necesarios para alinear los dipolos en muestras "sucias" cultivadas mediante otras técnicas. En nuestro material, la alineación ya espresente en los cristales. '
En opinión de Noheda, los resultados son concluyentes: el óxido de hafnio es ferroeléctrico a nanoescala. Esto significa que se pueden construir pedazos muy pequeños a partir de este material, con la ventaja adicional de que cambian a bajo voltaje. Además, el sustrato particular utilizado eneste estudio es magnético, y esta combinación de bits magnéticos y ferroeléctricos aporta un grado adicional de libertad, lo que permite que cada bit almacene el doble de información. Ahora que el mecanismo de la ferroelectricidad nanométrica es claro, parece probable que otros óxidos simples puedan tener propiedades similares.Noheda espera que, en conjunto, esto genere muchas investigaciones nuevas.
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Materiales proporcionados por Universidad de Groningen . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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