I materiali ferroelettrici hanno applicazioni nei dispositivi elettronici di prossima generazione, dai modulatori optoelettronici e dalla memoria ad accesso casuale ai trasduttori piezoelettrici e alle giunzioni tunnel. Ora i ricercatori del Tokyo Institute of Technology riportano approfondimenti sulle proprietà dei film sottili epitassiali a base di ossido di afnio (a base di HfO2), confermando una fase ferroelettrica stabile fino a 450 °C. Come sottolineano, "Questa temperatura è sufficientemente elevata da consentire l'utilizzo di materiali ferroelettrici a base di HfO2 in operazioni e processi stabili del dispositivo poiché questa temperatura è paragonabile a quella di altri materiali ferroelettrici convenzionali".

I rapporti sulle proprietà ferroelettriche in film sottili di ossido di afnio sostituito - in cui alcuni ioni sono stati sostituiti con altri metalli - hanno suscitato particolare interesse perché questi film sono già utilizzati in elettronica e sono compatibili con le tecniche di fabbricazione del silicio che dominano l'industria. Tuttavia, i tentativi di studiare in dettaglio la struttura cristallina dei film sottili a base di HfO2 per comprendere queste proprietà ferroelettriche hanno incontrato sfide a causa dell'orientamento casuale dei film policristallini.

Per ottenere film sottili con un orientamento cristallino ben definito, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo e i colleghi del Tokyo Institute of Technology si sono rivolti a un approccio alla crescita che non era mai stato sperimentato con materiali a base di HfO2 prima:la crescita del film epitassiale. Hanno quindi utilizzato una serie di tecniche di caratterizzazione, tra cui l'analisi della diffrazione dei raggi X e la mappatura dello spazio reciproco ad ampia area, per identificare i cambiamenti nella struttura cristallina all'aumentare del contenuto di ittrio. Hanno trovato un cambiamento da una fase a bassa simmetria a una fase ad alta simmetria attraverso una fase ortorombica provvisoria con l'aumento dell'ittrio dal -15% di ossido di ittrio sostituito.

Ulteriori studi hanno confermato che questa fase ortorombica è ferroelettrica e stabile per temperature fino a 450 °C. Concludono, "I risultati attuali aiutano a chiarire la natura della ferroelettricità nei materiali ferroelettrici a base di HfO2 e anche la sua potenziale applicazione in vari dispositivi".

Sfondo

Film sottili di ossido di afnio

La costante dielettrica (high-κ) dell'HfO2 ha precedentemente attirato l'interesse per l'uso in componenti elettronici come i condensatori DRAM (Dynamic Random Access Memory) ed è già utilizzata per porte high- nei dispositivi. Di conseguenza è già nota la sua compatibilità con l'elaborazione CMOS che domina l'attuale fabbricazione dell'elettronica.

Proprietà ferroelettriche sono state riportate in film sottili di HfO2 con alcuni ioni di afnio sostituiti da diversi tipi di ioni tra cui ittrio, alluminio e lantanio, così come silicio e zirconio. I ricercatori hanno studiato film di HfO2 sostituiti con l'ossido di ittrio YO1.5 poiché proprietà ferroelettriche sono già state riportate in film di questo materiale.

Crescita epitassiale

L'orientamento dei cristalli ben definito rispetto al substrato può essere ottenuto in film cresciuti epitassialmente, ma il processo richiede solitamente temperature elevate. A causa della tendenza a decomporsi in fasi non ferroelettriche, gli HfO2 vengono solitamente preparati mediante cristallizzazione di film amorfi. I ricercatori hanno utilizzato la deposizione laser pulsata per preparare film a base di HfO2 cresciuti epitassialmente senza distruggere la fase ferroelettrica. I film sono stati coltivati ​​su zirconia stabilizzata con ittrio e avevano uno spessore di circa 20 nm.

Fasi cristalline e caratterizzazione

HfO2 esiste in una fase monoclina stabile a bassa simmetria, dove la struttura ricorda un prisma rettangolare con base a parallelogramma. Questa struttura si trasforma in una fase strutturata cubica o tetragonale ad alta simmetria attraverso una fase ortorombica metastabile.

Monoclinico, le strutture cristalline cubiche e tetragonali hanno galoppo di inversione, che esclude le proprietà ferroelettriche. Pertanto i ricercatori si sono concentrati sull'ortorombica. La coesistenza di diverse fasi in HfO2 complica ulteriormente gli studi sulla struttura cristallina, rendendo ancora più desiderabile ottenere film con orientamenti dei cristalli ben definiti. Prima del lavoro attuale non era ancora chiaro se fosse possibile la crescita epitassiale dei film a base di HfO2.

Il lavoro precedente aveva utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione e la simultanea diffrazione elettronica a fascio convergente per confermare l'esistenza della fase ortorombica, ma un'analisi più dettagliata della struttura cristallina si è rivelata difficile a causa dell'orientamento policristallino casuale.

Con i film sottili cresciuti epitassialmente i ricercatori sono stati in grado di utilizzare l'analisi della diffrazione dei raggi X e misurazioni di mappatura dello spazio reciproco ad ampia area per identificare la fase ortorombica. Hanno quindi utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione di scansione a scansione di campo oscuro anulare con correzione dell'aberrazione e campo oscuro anulare per confermare che la fase ortorombica era ferroelettrica.