L'uso della ferroelettricità invece del magnetismo nella memoria del computer consente di risparmiare energia. Se i bit ferroelettrici fossero nanodimensionati, questo farebbe anche risparmiare spazio. Ma la saggezza convenzionale impone che le proprietà ferroelettriche scompaiano quando i bit vengono ridotti. I rapporti secondo cui l'ossido di afnio può essere utilizzato per realizzare un ferroelettrico su scala nanometrica non hanno ancora convinto il settore, tuttavia i fisici dell'Università di Groningen (UG) hanno ora raccolto prove che potrebbero persuadere gli scettici, pubblicato in Materiali della natura il 22 ottobre.

I materiali ferroelettrici hanno un momento di dipolo spontaneo che può puntare verso l'alto o verso il basso. Ciò significa che possono essere utilizzati per memorizzare informazioni, proprio come i bit magnetici su un disco rigido. Il vantaggio dei bit ferroelettrici è che possono essere scritti a bassa tensione e potenza. I bit magnetici richiedono grandi correnti per creare un campo magnetico per la commutazione, e quindi più potenza. Lo svantaggio dei ferroelettrici è che i dipoli allineati sono stabili solo in gruppi abbastanza grandi, quindi se rimpicciolisci i cristalli, il momento di dipolo alla fine scompare.

Scetticismo

"La riduzione delle dimensioni dei materiali ferroelettrici è un argomento di ricerca da oltre 20 anni, ", afferma la professoressa Beatriz Noheda di UG Functional Nanomaterials. Circa otto anni fa, una svolta è stata annunciata dal Laboratorio di materiali nanoelettronici di Dresda, Germania. Hanno affermato che i film sottili di ossido di afnio erano ferroelettrici quando erano più sottili di dieci nanometri e che i film più spessi in realtà perdevano le loro proprietà ferroelettriche. Noheda dice, "Questo è andato contro tutto ciò che sapevamo, quindi la maggior parte degli scienziati era scettica, me compreso." Parte dello scetticismo era dovuto al fatto che i campioni di afnio ferroelettrico utilizzati in questi studi erano policristallini e mostravano fasi multiple, oscurando ogni chiara comprensione fondamentale di un fenomeno così non convenzionale.

Noheda e il suo gruppo hanno deciso di indagare. Volevano studiare questi cristalli coltivando pellicole pulite (monofase) su un substrato. Utilizzando tecniche di diffusione dei raggi X e microscopia elettronica ad alta risoluzione, hanno osservato che film molto sottili (meno di dieci nanometri) crescono in una struttura polare del tutto inaspettata e precedentemente sconosciuta, che è necessario per la ferroelettricità. Combinando queste osservazioni con misurazioni di trasporto meticolose, hanno confermato che il materiale era effettivamente ferroelettrico. "Nel substrato che abbiamo usato, gli atomi erano un po' più vicini di quelli dell'ossido di afnio, quindi i cristalli di afnio sarebbero un po' tesi, "Spiega Noheda.

fase polare

Con loro sorpresa, hanno notato che la struttura cristallina cambiava quando gli strati superavano i dieci nanometri, riproducendo così i risultati del laboratorio di Dresda. Noheda:"Abbiamo usato un metodo completamente diverso, ma siamo giunti a conclusioni simili. Ciò ha confermato che la ferroelettricità nei cristalli di ossido di afnio di dimensioni nanometriche è davvero reale e non convenzionale. E questo ha posto la domanda:perché succede questo?"

Il denominatore comune in entrambi gli studi era la dimensione. Piccoli cristalli divennero ferroelettrici, mentre i cristalli più grandi hanno perso questa proprietà. Ciò ha portato gli scienziati a studiare i diagrammi di fase dell'ossido di afnio. Di dimensioni molto ridotte, le particelle hanno un'energia superficiale molto grande, creando pressioni fino a 5 gigapascal nel cristallo. I diagrammi di fase mostrano una diversa disposizione dei cristalli a tale pressione. "Questa pressione, insieme al ceppo imposto dal substrato, induce una fase polare, che è in linea con l'osservazione che questi cristalli sono ferroelettrici, " conclude Noheda.

Ciclo di sveglia

Un'altra scoperta importante è che, a differenza dei film sottili di Dresda, i nuovi cristalli non hanno bisogno di un ciclo di 'risveglio' per diventare ferroelettrici. Noheda:"I film sottili studiati in precedenza sono diventati ferroelettrici solo dopo aver attraversato una serie di cicli di commutazione. Ciò ha aumentato il sospetto che la ferroelettricità fosse una sorta di artefatto. Ora crediamo che i cicli di risveglio fossero necessari per allineare i dipoli in "non puliti". " campioni cresciuti con altre tecniche. Nel nostro materiale, l'allineamento è già presente nei cristalli."

Secondo Noheda, i risultati sono conclusivi:l'ossido di afnio è ferroelettrico su scala nanometrica. Ciò significa che è possibile costruire pezzi molto piccoli con questo materiale, con l'ulteriore vantaggio di commutare a bassa tensione. Per di più, il particolare substrato utilizzato in questo studio è magnetico, e questa combinazione di bit magnetici e ferroelettrici porta un ulteriore grado di libertà, consentendo a ciascun bit di memorizzare il doppio delle informazioni. Ora che il meccanismo della ferroelettricità nanometrica è chiaro, sembra probabile che altri ossidi semplici possano avere proprietà simili. Noheda si aspetta che insieme, questo stimolerà molte nuove ricerche.