鐵電無處不在？

Ferroelectrics everywhere？

新型的鐵電材料家族為改進(jìn)信息和能量存儲(chǔ)成為可能
New family of ferroelectric materials raises possibilities for improved information and energy storage

日期：2021年8月31日

來源：賓夕法尼亞州立大學(xué)

摘要：賓夕法尼亞州立大學(xué)的一組研究人員在鎂取代的氧化鋅中證明了鐵電性，這意味將會(huì)出現(xiàn)一種新的材料系列，可以改善數(shù)字信息存儲(chǔ)并使用更少的能源。

賓夕法尼亞州立大學(xué)的一組研究人員在鎂取代的氧化鋅中證明了鐵電性，這意味將會(huì)出現(xiàn)一種新的材料系列，可以改善數(shù)字信息存儲(chǔ)并使用更少的能源。

制造鐵電鎂取代氧化鋅薄膜的部分過程包括：（左）顯示從金屬源濺射沉積薄膜的圖像；（中心）薄膜電容器的鐵電磁滯回線，在零場下顯示出兩種剩余極化狀態(tài)；（右）原子力顯微鏡圖像顯示納米尺度的光滑表面和非常細(xì)粒度和纖維紋理的微觀結(jié)構(gòu)。圖片來源：賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所

鐵電材料是自發(fā)極化的，因?yàn)椴牧现械呢?fù)電荷和正電荷趨向于相反的兩側(cè)，并且在施加外部電場時(shí)會(huì)重新定向。它們會(huì)受到物理力的影響，這就是為什么它們可用于按鈕式點(diǎn)火器，例如燃?xì)饪炯苤械陌粹o式點(diǎn)火器。它們還可以用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和記憶，因?yàn)樗鼈冊跊]有額外功率的情況下保持一種極化狀態(tài)，因此是低能量數(shù)字存儲(chǔ)解決方案。

賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程教授 Jon-Paul Maria 說：“我們已經(jīng)確定了一個(gè)新的材料系列，我們可以用這些材料制造微型電容器，我們可以設(shè)置它們的極化方向，使它們的表面電荷為正或負(fù)。該設(shè)置是非易失性的，這意味著我們可以將電容器設(shè)置為正值，它保持正值，我們可以將其設(shè)置為負(fù)值，它保持負(fù)值。然后我們可以回來確定我們?nèi)绾卧O(shè)置該電容器，例如，一個(gè)小時(shí)前。”

這種能力可以實(shí)現(xiàn)一種不像其他形式那樣耗電的數(shù)字存儲(chǔ)形式。“這種類型的存儲(chǔ)不需要額外的能源，”瑪麗亞說：“這很重要，因?yàn)槲覀兘裉焓褂玫脑S多計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器需要額外的電力來維持信息，而我們在信息上使用了大量的美國能源預(yù)算?！?/span>

新材料由鎂取代的氧化鋅薄膜制成。該薄膜是通過濺射沉積生長的，在這個(gè)過程中，氬離子被加速到目標(biāo)材料，以足夠高的能量撞擊它，使原子脫離含有鎂和鋅的目標(biāo)。游離的鎂和鋅原子在氣相中移動(dòng)，直到它們與氧氣反應(yīng)并聚集在涂有鉑的氧化鋁基材上并形成薄膜。

研究人員研究了鎂取代氧化鋅作為增加氧化鋅帶隙的一種方法，這是一種對(duì)制造半導(dǎo)體很重要的關(guān)鍵材料特性。然而，從未探索過該材料的鐵電性。盡管如此，研究人員認(rèn)為，根據(jù)埃文普大學(xué)教授、陶瓷科學(xué)與工程 Steward S. Flaschen 教授 Maria 和 Susan Trolier-McKinstry 提出的“鐵電無處不在”的想法，該材料可以制成鐵電材料。作者在紙上。

“一般來說，鐵電通常出現(xiàn)在從結(jié)構(gòu)和化學(xué)角度來看很復(fù)雜的礦物中，”瑪麗亞說：“我們的團(tuán)隊(duì)大約在兩年前提出了這個(gè)想法，還有其他更簡單的晶體可以識(shí)別出這種有用的現(xiàn)象，因?yàn)橛幸恍┚€索讓我們提出了這種可能性。說‘鐵電體無處不在’有點(diǎn)像玩文字游戲，但它捕捉到了我們周圍有給我們提示的材料的想法，而我們很長一段時(shí)間都忽略了這些提示。”

Trolier-McKinstry 的研究生涯主要集中在鐵電體上，包括尋找具有不同特性的更好的鐵電材料。她指出，德國基爾大學(xué)于 2019 年在氮化物中發(fā)現(xiàn)了這種令人驚訝的鐵電材料中的第一種，但她和瑪麗亞在氧化物中表現(xiàn)出類似的行為。

Trolier-McKinstry 和 Maria 的小組遵循的過程的一部分是開發(fā)品質(zhì)因數(shù)，這是一個(gè)用于科學(xué)分析的數(shù)量，例如分析化學(xué)和材料研究，用于表征設(shè)備、材料或方法相對(duì)于替代品的性能。

Trolier-McKinstry 說：“當(dāng)我們研究材料的任何應(yīng)用時(shí)，我們通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)品質(zhì)因數(shù)，說明我們需要對(duì)任何給定應(yīng)用進(jìn)行何種材料特性組合才能使其盡可能有效。” “而這個(gè)新的鐵電體系列，它為我們提供了這些品質(zhì)因數(shù)的全新可能性。它對(duì)過去我們沒有很好的材料集的應(yīng)用非常有吸引力，因此這種新材料的開發(fā)往往會(huì)激發(fā)新的應(yīng)用。 ”

鎂取代氧化鋅薄膜的另一個(gè)好處是它們可以在比其他鐵電材料低得多的溫度下沉積。

“絕大多數(shù)電子材料都是在高溫的幫助下制備的，高溫意味著 300 到 1000 攝氏度（572 到 1835 華氏度），”瑪麗亞說：“每當(dāng)你在高溫下制造材料時(shí)，都會(huì)遇到很多困難。它們往往是工程上的困難，但盡管如此，它們還是讓一切變得更具挑戰(zhàn)性?？紤]到每個(gè)電容器都需要兩個(gè)電觸點(diǎn)——如果我在高溫下準(zhǔn)備我的鐵電層”至少在這些接觸中的一個(gè)上，在某些時(shí)候會(huì)發(fā)生不需要的化學(xué)反應(yīng)。因此，當(dāng)你可以在低溫下制造東西時(shí)，你可以更容易地整合它們。”

新材料的下一步是將它們制成大約 10 納米厚、橫向尺寸為 20 至 30 納米的電容器，這是一項(xiàng)艱巨的工程挑戰(zhàn)。研究人員需要?jiǎng)?chuàng)造一種方法來控制材料的生長，這樣就不會(huì)出現(xiàn)材料缺陷等問題。Trolier-McKinstry 表示，解決這些問題將是這些材料是否可用于新技術(shù)的關(guān)鍵——帶有耗能少得多的芯片的手機(jī)，可以持續(xù)運(yùn)行一周或更長時(shí)間。

“在開發(fā)新材料時(shí)，你必須找出它們是如何失效的，然后了解如何減輕這些失效機(jī)制，” Trolier-McKinstry 說：“對(duì)于每一個(gè)應(yīng)用程序，你都需要決定哪些是基本屬性，以及它們將如何隨著時(shí)間的推移而發(fā)展。在你對(duì)此進(jìn)行一些測量之前，你不知道將面臨哪些重大挑戰(zhàn)，就這種材料是否在五年內(nèi)最終出現(xiàn)在您的手機(jī)中而言，可靠性和可制造性是巨大的。”

來源：賢集網(wǎng)，題目略有改動(dòng)

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