Cientistas e engenheiros têm pressionado durante a última década para aproveitar um material ferroelétrico indescritível chamado óxido de háfnio, ou háfnia, para inaugurar a próxima geração de memória computacional. Uma equipe de pesquisadores, incluindo Sobhit Singh, da Universidade de Rochester, publicou um estudo no Proceedings of the National Academy of Sciences delineando o progresso no sentido de disponibilizar háfnias ferroelétricas e antiferroelétricas em massa para uso em uma variedade de aplicações.



Numa fase cristalina específica, o háfnia exibe propriedades ferroelétricas – isto é, polarização elétrica que pode ser alterada em uma direção ou outra pela aplicação de um campo elétrico externo. Esse recurso pode ser aproveitado na tecnologia de armazenamento de dados. Quando utilizada na computação, a memória ferroelétrica tem o benefício da não volatilidade, o que significa que mantém seus valores mesmo quando desligada, uma das diversas vantagens em relação à maioria dos tipos de memória utilizados atualmente.

“Hafnia é um material muito interessante devido às suas aplicações práticas em tecnologia informática, especialmente para armazenamento de dados”, diz Singh, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica. “Atualmente, para armazenar dados usamos formas magnéticas de memória que são lentas, requerem muita energia para funcionar e não são muito eficientes. As formas ferroelétricas de memória são robustas, ultrarrápidas, mais baratas de produzir e mais eficientes em termos energéticos. ."

Mas Singh, que realiza cálculos teóricos para prever as propriedades dos materiais no nível quântico, diz que o hafnia em massa não é ferroelétrico no seu estado fundamental. Até recentemente, os cientistas só conseguiam levar o hafnia ao seu estado ferroelétrico metaestável ao esticá-lo como um filme fino e bidimensional de espessura nanométrica.

Em 2021, Singh fez parte de uma equipe de cientistas da Universidade Rutgers que conseguiu que o hafnia permanecesse em seu estado ferroelétrico metaestável ligando o material com ítrio e resfriando-o rapidamente. No entanto, esta abordagem tinha algumas desvantagens. “Foi necessário muito ítrio para chegar à fase metaestável desejada”, diz ele.

"Então, embora tenhamos alcançado o que pretendíamos, ao mesmo tempo estávamos prejudicando muitas das principais características do material porque estávamos introduzindo muitas impurezas e desordem no cristal. A questão era:como podemos chegar a isso estado metaestável com o mínimo de ítrio possível para melhorar as propriedades do material resultante?"

No novo estudo, Singh calculou que, ao aplicar uma pressão significativa, seria possível estabilizar háfnias em massa nas suas formas ferroelétricas e antiferroelétricas metaestáveis ​​- ambas intrigantes para aplicações práticas em dados de próxima geração e tecnologias de armazenamento de energia.

Uma equipe liderada pela professora Janice Musfeldt, da Universidade do Tennessee, em Knoxville, realizou experimentos de alta pressão e demonstrou que, na pressão prevista, o material se converteu na fase metaestável e permaneceu lá mesmo quando a pressão foi removida.

“Este é um excelente exemplo de colaboração teórico-experimental”, diz Musfeldt.

A nova abordagem exigia apenas metade da quantidade de ítrio que um estabilizador, melhorando consideravelmente a qualidade e a pureza dos cristais de háfnia cultivados. Agora, Singh diz que ele e os outros cientistas vão pressionar para usar cada vez menos ítrio até descobrirem uma maneira de produzir háfnia ferroelétrica em massa para uso generalizado.

E como a hafnia continua a atrair cada vez mais atenção devido à sua intrigante ferroeletricidade, Singh está organizando uma sessão convidada sobre o material na Reunião de Março de 2024 da American Physical Society.

Mais informações: Musfeldt, J. L. et al, Structural phase purification of bulk HfO2:Y through Pressure Cycling, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2312571121. doi.org/10.1073/pnas.2312571121
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pela Universidade de Rochester