Film sottili a base di afnio, con uno spessore di pochi nanometri, mostrano una forma non convenzionale di ferroelettricità. Ciò consente la costruzione di memorie o dispositivi logici di dimensioni nanometriche. Però, non era chiaro come potesse verificarsi la ferroelettricità a questa scala. Uno studio condotto da scienziati dell'Università di Groningen ha mostrato come gli atomi si muovono in un condensatore a base di afnio:gli atomi di ossigeno in migrazione (o posti vacanti) sono responsabili della commutazione osservata e dell'immagazzinamento della carica. I risultati, che sono stati pubblicati online dalla rivista Scienza il 15 aprile, indicare la strada a nuovi materiali ferroelettrici.

I materiali ferroelettrici mostrano una polarizzazione spontanea che può essere invertita o commutata utilizzando un campo elettrico. Viene utilizzato nelle memorie non volatili o nella costruzione di dispositivi logici. Uno svantaggio di questi materiali è che quando la dimensione dei cristalli si riduce al di sotto di un certo limite, le proprietà ferroelettriche sono perse. Però, alcuni anni fa, i ricercatori hanno suggerito che gli ossidi a base di afnio potrebbero esibire ferroelettricità a dimensioni nanometriche.

Microscopio

Nel 2018, una squadra guidata da Beatriz Noheda, professore di nanomateriali funzionali all'Università di Groningen, confermato queste proprietà speciali degli ossidi di afnio. "Però, non sapevamo esattamente come si verificasse questa ferroelettricità, " lei dice. "Sapevamo che il meccanismo in queste membrane sottili a base di afnio è diverso. Poiché la commutazione ferroelettrica è qualcosa che si verifica su scala atomica, abbiamo deciso di studiare come la struttura atomica di questo materiale risponde ad un campo elettrico, entrambi utilizzando la potente sorgente di raggi X al sincrotrone MAX-IV a Lund e il nostro formidabile microscopio elettronico a Groningen".

L'Università ospita un microscopio elettronico all'avanguardia presso il centro di microscopia elettronica dello Zernike Institute for Advanced Materials, con cui il gruppo di Bart Kooi, coautore di Scienza carta, ha ripreso con successo gli atomi più leggeri della tavola periodica, l'idrogeno, per la prima volta nel 2020. È qui che entra in gioco il primo autore Pavan Nukala. Ha lavorato come ricercatore Marie Curie presso l'Università di Groningen e aveva un background in microscopia elettronica e scienza dei materiali, specialmente in questi sistemi ferroelettrici di afnio.

Ossigeno

Però, se la preparazione di un campione per l'imaging degli atomi è difficile, quindi la necessità di applicare un campo elettrico attraverso un dispositivo in situ aumenta la difficoltà di diversi ordini di grandezza. Per fortuna, più o meno nello stesso momento, Majid Ahmadi (un maestro di esperimenti in situ) si è unito al gruppo di Kooi. "Tutti noi eravamo abbastanza convinti che se ci fosse un luogo in cui la commutazione di afnio potesse essere visualizzata in situ su scala atomica, sarebbe qui al centro di microscopia elettronica ZIAM. Beneficia di una combinazione unica della giusta esperienza nella scienza dei materiali, microscopia e infrastrutture, "Spiega Noheda.

Ahmadi e Nukala hanno sviluppato i protocolli appropriati per la costruzione di condensatori trasparenti agli elettroni a base di afnio utilizzando un fascio di ioni focalizzato. "Abbiamo ripreso il reticolo atomico di ossido di afnio-zirconio tra due elettrodi, compresi gli atomi di ossigeno leggero, " Spiega Nukala. "La gente credeva che lo spostamento dell'atomo di ossigeno nell'afnio dia luogo alla polarizzazione. Quindi qualsiasi microscopia avrebbe senso solo se l'ossigeno potesse essere ripreso e se avessimo lo strumento esatto per farlo. Quindi abbiamo applicato una tensione esterna al condensatore e abbiamo osservato i cambiamenti atomici in tempo reale." Un simile esperimento in situ con l'imaging diretto degli atomi di ossigeno all'interno del microscopio elettronico non era mai stato fatto.

Migrazione

"Una caratteristica significativa che abbiamo osservato è che gli atomi di ossigeno si muovono, " spiega Nukala. "Si caricano e migrano seguendo il campo elettrico tra gli elettrodi attraverso lo strato di afnio. Un tale trasporto di carica reversibile consente la ferroelettricità." Noheda aggiunge:"Questa è stata una grande sorpresa".

C'è anche un piccolo spostamento nelle posizioni atomiche su scala picometrica all'interno delle celle unitarie, ma l'effetto complessivo della migrazione di ossigeno da un lato all'altro sulla risposta del dispositivo è molto maggiore. Questa scoperta apre la strada a nuovi materiali che potrebbero essere utilizzati per dispositivi logici e di archiviazione di dimensioni nanometriche. "Le memorie ferroelettriche a base di afnio sono già in produzione, anche se il meccanismo alla base del loro comportamento era sconosciuto, " dice Nukala. "Abbiamo ora aperto la strada verso una nuova generazione di conduttori di ossigeno, materiali ferroelettrici compatibili con il silicio."

Noheda, chi è il direttore di CogniGron, il Groningen Cognitive Systems and Materials Center, che sviluppa nuovi materiali per il cognitive computing, può vedere interessanti applicazioni per il nuovo tipo di materiali ferroelettrici. "La migrazione dell'ossigeno è molto più lenta della commutazione di dipolo. Nei sistemi di memoria che potrebbero emulare la memoria a breve e a lungo termine delle cellule cerebrali, gli scienziati dei materiali attualmente cercano di creare sistemi ibridi da materiali diversi per combinare questi due meccanismi. "Ora possiamo farlo nello stesso materiale. E controllando il movimento dell'ossigeno, potremmo creare stati intermedi, ancora, come si trova nei neuroni."

Difetti

Nukala, che ora è assistente professore presso l'Indian Institute of Science, è anche interessato ad esplorare le proprietà piezoelettriche o elettromeccaniche del materiale. "Tutti i ferroelettrici convenzionali sono anche piezoelettrici. Che dire di questi nuovi non tossici, ferroelettrici compatibili con il silicio? C'è un'opportunità qui per esplorare il loro potenziale nei sistemi microelettromeccanici".

Alla fine, le proprietà di questo nuovo materiale derivano dalle imperfezioni. "L'ossigeno può viaggiare solo perché ci sono vuoti di ossigeno all'interno della struttura cristallina, " dice Nukala. "In effetti, potresti anche descrivere cosa succede come una migrazione di questi posti vacanti. Questi difetti strutturali sono la chiave del comportamento ferroelettrico e, generalmente, conferiscono ai materiali nuove proprietà".