Filmes finos à base de háfnio, com uma espessura de apenas alguns nanômetros, exibem uma forma não convencional de ferroeletricidade. Isso permite a construção de memórias ou dispositivos lógicos do tamanho de nanômetros. Contudo, não estava claro como a ferroeletricidade poderia ocorrer nessa escala. Um estudo conduzido por cientistas da Universidade de Groningen mostrou como os átomos se movem em um capacitor baseado em háfnio:átomos de oxigênio em migração (ou vazios) são responsáveis ​​pela troca observada e armazenamento de carga. Os resultados, que foram publicados online pela revista Ciência em 15 de abril, apontar o caminho para novos materiais ferroelétricos.

Materiais ferroelétricos exibem polarização espontânea que pode ser revertida ou comutada usando um campo elétrico. É usado em memórias não voláteis ou na construção de dispositivos lógicos. Uma desvantagem desses materiais é que quando o tamanho dos cristais é reduzido abaixo de um certo limite, as propriedades ferroelétricas são perdidas. Contudo, alguns anos atrás, os pesquisadores sugeriram que os óxidos à base de háfnio podem exibir ferroeletricidade em dimensões em nanoescala.

Microscópio

Em 2018, uma equipe liderada por Beatriz Noheda, professor de nanomateriais funcionais da Universidade de Groningen, confirmou essas propriedades especiais dos óxidos de háfnio. "Contudo, não sabíamos exatamente como essa ferroeletricidade ocorria, "ela diz." Nós sabíamos que o mecanismo nessas membranas finas à base de háfnio é diferente. Como a comutação ferroelétrica é algo que ocorre em escala atômica, decidimos estudar como a estrutura atômica deste material responde a um campo elétrico, ambos usando a poderosa fonte de raios-X no síncrotron MAX-IV em Lund e nosso formidável microscópio eletrônico em Groningen. "

A Universidade abriga um microscópio eletrônico de última geração no centro de microscopia eletrônica do Instituto Zernike para Materiais Avançados, com o qual o grupo de Bart Kooi, co-autor do Ciência papel, obteve imagens dos átomos mais leves da tabela periódica - hidrogênio - pela primeira vez em 2020. É aqui que o primeiro autor Pavan Nukala entra. Ele trabalhou como Marie Curie Research Fellow na Universidade de Groningen e tinha formação em microscopia eletrônica e Ciência de materiais, especialmente nestes sistemas de háfnio ferroelétricos.

Oxigênio

Contudo, se a preparação de uma amostra para a imagem dos átomos for complicada, então, a necessidade de aplicar um campo elétrico através de um dispositivo in situ aumenta a dificuldade em várias ordens de magnitude. Felizmente, mais ou menos na mesma época, Majid Ahmadi (um mestre em experimentos in situ) juntou-se ao grupo de Kooi. "Todos nós estávamos bastante convencidos de que, se houvesse um lugar onde a troca de háfnio pudesse ser visualizada in situ em escala atômica, seria aqui no centro de microscopia eletrônica da ZIAM. Ele se beneficia de uma combinação única da experiência certa em ciência dos materiais, microscopia e infraestrutura, "Noheda explica.

Os protocolos adequados para construir capacitores transparentes de elétrons baseados em háfnio usando a instalação de feixe de íons focalizado foram desenvolvidos por Ahmadi e Nukala. "Imaginamos a rede atômica de óxido de háfnio-zircônio entre dois eletrodos, incluindo os átomos leves de oxigênio, "Nukala explica." As pessoas acreditavam que o deslocamento do átomo de oxigênio no háfnio dá origem à polarização. Portanto, qualquer microscopia só faria sentido se a imagem do oxigênio pudesse ser obtida e tivéssemos a ferramenta exata para isso. Em seguida, aplicamos uma voltagem externa ao capacitor e observamos as mudanças atômicas em tempo real. ”Tal experimento in situ com imagens diretas de átomos de oxigênio dentro do microscópio eletrônico nunca havia sido feito.

Migração

"Uma característica significativa que observamos é que os átomos de oxigênio se movem, "explica Nukala." Eles são carregados e migram seguindo o campo elétrico entre os eletrodos através da camada de háfnio. Esse transporte de carga reversível permite a ferroeletricidade. ”Noheda acrescenta:“ Foi uma grande surpresa ”.

Há também uma pequena mudança nas posições atômicas na escala de picômetro dentro das células unitárias, mas o efeito geral da migração de oxigênio de um lado para o outro na resposta do dispositivo é muito maior. Essa descoberta abre caminho para novos materiais que podem ser usados ​​para dispositivos lógicos e de armazenamento do tamanho de nanômetros. “As memórias ferroelétricas à base de háfnio já estão em produção, mesmo que o mecanismo por trás de seu comportamento seja desconhecido, "diz Nukala." Agora abrimos o caminho para uma nova geração de condutores de oxigênio, materiais ferroelétricos compatíveis com silício. "

Noheda, quem é o diretor da CogniGron, o Centro de Materiais e Sistemas Cognitivos de Groningen, que desenvolve novos materiais para computação cognitiva, pode ver aplicações interessantes para o novo tipo de materiais ferroelétricos. "A migração de oxigênio é muito mais lenta do que a comutação dipolo. Em sistemas de memória que poderiam emular a memória de curto e longo prazo das células cerebrais, cientistas de materiais atualmente tentam fazer sistemas híbridos de materiais diferentes para combinar esses dois mecanismos. "Agora podemos fazer isso com o mesmo material. E, controlando o movimento do oxigênio, poderíamos criar estados intermediários, novamente, como você encontra nos neurônios. "

Defeitos

Nukala, que agora é professor assistente no Instituto Indiano de Ciência, também está interessado em explorar as propriedades piezoelétricas ou eletromecânicas do material. “Todos os ferroelétricos convencionais também são piezoelétricos. E quanto a esses novos não tóxicos, ferroelétricos amigáveis ​​ao silício? Há uma oportunidade aqui de explorar seu potencial em sistemas microeletromecânicos. "

No fim, as propriedades deste novo material derivam de imperfeições. “O oxigênio só pode viajar porque há vagas de oxigênio dentro da estrutura cristalina, "diz Nukala." Na verdade, you could also describe what happens as a migration of these vacancies. These structural defects are the key to the ferroelectric behavior and, em geral, give materials novel properties."