Parte del processo di creazione di film sottili di ossido di zinco sostituito da magnesio ferroelettrico include:(a sinistra) Immagine che mostra il film sottile depositato mediante polverizzazione a spruzzo da fonti metalliche; (al centro) anelli di isteresi ferroelettrica di condensatori a film sottile che mostrano due stati di polarizzazione rimanenti a campo zero; (a destra) immagine al microscopio a forza atomica che mostra una superficie liscia su scala nanometrica e una microstruttura a grana molto fine e strutturata in fibra. Credito:Istituto di ricerca sui materiali, Penn State
Una nuova famiglia di materiali che potrebbe portare a una migliore memorizzazione delle informazioni digitali e utilizzare meno energia potrebbe essere possibile grazie a un team di ricercatori della Penn State che hanno dimostrato la ferroelettricità nell'ossido di zinco sostituito dal magnesio.
I materiali ferroelettrici sono spontaneamente polarizzati elettricamente perché le cariche negative e positive nel materiale tendono verso lati opposti e con l'applicazione di un campo elettrico esterno si riorientano. Possono essere influenzati dalla forza fisica, per questo sono utili per accenditori a pulsante come quelli che si trovano nelle griglie a gas. Possono essere utilizzati anche per l'archiviazione e la memoria dei dati, perché rimangono in uno stato polarizzato senza alimentazione aggiuntiva e così sono le soluzioni di archiviazione digitale a basso consumo energetico.
"Abbiamo identificato una nuova famiglia di materiali da cui possiamo realizzare minuscoli condensatori e possiamo impostare il loro orientamento di polarizzazione in modo che la loro carica superficiale sia più o meno, " disse Jon-Paul Maria, Penn State professore di scienza e ingegneria dei materiali, e coautore dell'articolo pubblicato su Rivista di fisica applicata . "Quell'impostazione è non volatile, il che significa che possiamo impostare il condensatore su più, e rimane più, possiamo impostarlo su meno, rimane meno. E poi possiamo tornare indietro e identificare come abbiamo impostato quel condensatore, a dire, un'ora fa."
Questa capacità potrebbe consentire una forma di archiviazione digitale che non utilizza la stessa quantità di elettricità di altre forme.
"Questo tipo di accumulo non richiede energia aggiuntiva, " disse Maria. "E questo è importante perché molte delle memorie del computer che usiamo oggi richiedono elettricità aggiuntiva per sostenere le informazioni, e usiamo una parte sostanziale del budget energetico americano per l'informazione".
I nuovi materiali sono realizzati con film sottili di ossido di zinco sostituito con magnesio. Il film è stato coltivato tramite deposizione sputtering, un processo in cui gli ioni di argon vengono accelerati verso i materiali target, impattandolo con un'energia sufficientemente elevata da liberare gli atomi dal bersaglio che contiene magnesio e zinco. Gli atomi di magnesio e zinco liberati viaggiano in fase vapore fino a quando non reagiscono con l'ossigeno e si raccolgono su un substrato di ossido di alluminio rivestito di platino e formano i film sottili.
I ricercatori hanno studiato l'ossido di zinco sostituito con magnesio come metodo per aumentare il gap di banda dell'ossido di zinco, una caratteristica chiave del materiale che è importante per la creazione di semiconduttori. Però, il materiale non è mai stato esplorato per la ferroelettricità. Ciò nonostante, i ricercatori credevano che il materiale potesse essere reso ferroelettrico, sulla base di un'idea di "ferroelettrici ovunque" postulata da Maria e Susan Trolier-McKinstry, Professore dell'Università Evan Pugh, Steward S. Flaschen Professore di scienza e ingegneria della ceramica, e coautore del documento.
"Parlando in generale, la ferroelettricità si trova spesso in minerali complicati dal punto di vista della struttura e della chimica, " ha detto Maria. "E il nostro team ha proposto l'idea circa due anni fa, che ci sono altri cristalli più semplici in cui questo utile fenomeno potrebbe essere identificato, in quanto c'erano alcuni indizi che ci hanno fatto proporre questa possibilità. Dire "ferroelettrici ovunque" è un po' un gioco di parole, ma cattura l'idea che ci fossero materiali intorno a noi che ci davano suggerimenti, e abbiamo ignorato quei suggerimenti per molto tempo."
La carriera di ricerca di Trolier-McKinstry si è concentrata sui ferroelettrici, compresa la ricerca di migliori materiali ferroelettrici con proprietà diverse. Ha notato che l'Università di Kiel in Germania aveva trovato il primo di questo sorprendente tipo di materiali ferroelettrici nel 2019 nei nitruri, ma che lei e Maria hanno dimostrato un comportamento comparabile in un ossido.
Parte del processo seguito da Trolier-McKinstry e dal gruppo di Maria è lo sviluppo di una figura di merito, una quantità utilizzata in scienze come la chimica analitica e la ricerca sui materiali che caratterizza le prestazioni di un dispositivo, materiale o metodo relativo alle alternative.
"Mentre esaminiamo qualsiasi domanda di materiale, spesso elaboriamo una cifra di merito che dice quale combinazione di proprietà dei materiali avremmo bisogno per una data applicazione per renderla il più efficace possibile, " disse Trolier-McKinstry. "E questa nuova famiglia di ferroelettrici, ci offre possibilità completamente nuove per quelle figure di merito. È molto interessante per le applicazioni per le quali storicamente non abbiamo avuto grandi set di materiali, quindi questo tipo di sviluppo di nuovi materiali tende a stimolare nuove applicazioni."
Un ulteriore vantaggio dei film sottili di ossido di zinco sostituito con magnesio è il modo in cui possono essere depositati a temperature molto più basse rispetto ad altri materiali ferroelettrici.
"La stragrande maggioranza dei materiali elettronici è preparata con l'ausilio di alte temperature, e alte temperature significa ovunque da 300 a 1000 gradi Celsius (da 572 a 1835 gradi Fahrenheit), " disse Maria. "Ogni volta che produci materiali a temperature elevate, arriva con molte difficoltà. Tendono ad essere difficoltà ingegneristiche, ma ciò nonostante rendono tutto più impegnativo. Considera che ogni condensatore ha bisogno di due contatti elettrici:se preparo il mio strato ferroelettrico ad alte temperature su almeno uno di questi contatti, ad un certo punto si verificherà una reazione chimica indesiderata. Così, quando puoi fare le cose a basse temperature, puoi integrarli molto più facilmente."
Il prossimo passo per i nuovi materiali è trasformarli in condensatori di circa 10 nanometri di spessore e da 20 a 30 nanometri di dimensioni laterali, che è una sfida ingegneristica difficile. I ricercatori devono creare un modo per controllare la crescita dei materiali in modo che non ci siano problemi come imperfezioni nei materiali. Trolier-McKinstry ha affermato che la risoluzione di questi problemi sarà la chiave per stabilire se questi materiali siano utilizzabili nelle nuove tecnologie:telefoni cellulari con chip che consumano molta meno energia, consentendo un funzionamento prolungato per una settimana o più.
"Quando si sviluppano nuovi materiali, devi scoprire come falliscono, e poi capire come mitigare quei meccanismi di guasto, " ha detto Trolier-McKinstry. "E per ogni singola applicazione, devi decidere quali sono le proprietà essenziali, e come si evolveranno nel tempo. E finché non avrai preso delle misure su questo, non sai quali saranno le grandi sfide, e l'affidabilità e la producibilità sono enormi in termini di se questo materiale finisce nel tuo telefono cellulare in cinque anni."
