Credito:CC0 di pubblico dominio
Negli ultimi anni, una classe di materiali chiamati antiferroelettrici è stata sempre più studiata per le sue potenziali applicazioni nei moderni dispositivi di memoria dei computer. La ricerca ha dimostrato che le memorie basate su antiferroelettrico potrebbero avere una maggiore efficienza energetica e velocità di lettura e scrittura più elevate rispetto alle memorie convenzionali, tra le altre caratteristiche interessanti. Inoltre, gli stessi composti che possono esibire un comportamento antiferroelettrico sono già integrati nei processi di produzione di chip semiconduttori esistenti.
Ora, un team guidato dai ricercatori della Georgia Tech ha scoperto un comportamento inaspettatamente familiare nel materiale antiferroelettrico noto come biossido di zirconio o zirconia. Dimostrano che poiché la microstruttura del materiale è di dimensioni ridotte, si comporta in modo simile a materiali molto meglio conosciuti noti come ferroelettrici. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Advanced Electronic Materials .
La miniaturizzazione dei circuiti ha svolto un ruolo chiave nel miglioramento delle prestazioni della memoria negli ultimi cinquant'anni. Sapere come le proprietà di un cambiamento antiferroelettrico con la riduzione delle dimensioni dovrebbero consentire la progettazione di componenti di memoria più efficaci.
I ricercatori notano inoltre che i risultati dovrebbero avere implicazioni in molte altre aree oltre alla memoria.
"Gli antiferroelettrici hanno una gamma di proprietà uniche come alta affidabilità, alta tensione di resistenza e ampie temperature di funzionamento che li rendono utili in una vasta gamma di dispositivi diversi, inclusi condensatori ad alta densità di energia, trasduttori e circuiti elettro-ottici". ha affermato Nazanin Bassiri-Gharb, coautore dell'articolo e professore alla Woodruff School of Mechanical Engineering e alla School of Materials Science and Engineering presso la Georgia Tech. "Ma gli effetti di ridimensionamento sono rimasti in gran parte nascosti per molto tempo".
"Puoi progettare il tuo dispositivo e renderlo più piccolo sapendo esattamente come funzionerà il materiale", ha affermato Asif Khan, coautore dell'articolo e assistente professore presso la School of Electrical and Computer Engineering e la School of Materials Science and Engineering in Georgia Tech. "Dal nostro punto di vista, apre davvero un nuovo campo di ricerca."
Campi duraturi
La caratteristica distintiva di un materiale antiferroelettrico è il modo peculiare con cui risponde a un campo elettrico esterno. Questa risposta combina le caratteristiche dei materiali non ferroelettrici e ferroelettrici, che sono stati studiati molto più intensamente in fisica e scienza dei materiali.
Per i ferroelettrici, l'esposizione a un campo elettrico esterno di intensità sufficiente fa sì che il materiale diventi fortemente polarizzato, che è uno stato in cui il materiale mostra il proprio campo elettrico interno. Anche quando il campo elettrico esterno viene rimosso, questa polarizzazione persiste, in modo simile a come un chiodo di ferro può magnetizzarsi in modo permanente.
Il comportamento di un materiale ferroelettrico dipende anche dalle sue dimensioni. Poiché un campione di materiale viene reso più sottile, è necessario un campo elettrico più forte per creare una polarizzazione permanente, in conformità con una legge precisa e prevedibile chiamata legge di Janovec–Kay–Dunn (JKD).
Al contrario, l'applicazione di un campo elettrico esterno a un antiferroelettrico non provoca la polarizzazione del materiale, all'inizio. Tuttavia, all'aumentare dell'intensità del campo esterno, un materiale antiferroelettrico alla fine passa a una fase ferroelettrica, dove la polarizzazione si instaura bruscamente. Il campo elettrico necessario per commutare l'antiferroelettrico in una fase ferroelettrica è chiamato campo critico.
Ridimensionamento delle dimensioni
Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno scoperto che anche gli antiferroelettrici di zirconio obbediscono a qualcosa di simile a una legge JKD. Tuttavia, a differenza dei ferroelettrici, la microstruttura del materiale gioca un ruolo chiave. La forza del campo critico scala nel modello JKD in particolare rispetto alle dimensioni delle strutture note come cristalliti all'interno del materiale. Per una dimensione dei cristalliti più piccola, è necessario un campo critico più forte per commutare un materiale antiferroelettrico nella sua fase ferroelettrica, anche se la sottigliezza del campione rimane la stessa.
"Non c'era stata una legge predittiva che dettasse come cambierà la tensione di commutazione quando si miniaturizzano questi dispositivi di ossido antiferroelettrico", ha affermato Khan. "Abbiamo trovato una nuova svolta su una vecchia legge."
In precedenza, gli antiferroelettrici sottili erano difficili da produrre in dimensioni paragonabili a quelle dei ferroelettrici, hanno affermato i ricercatori. Secondo Khan, Nujhat Tasneem, lo studente di dottorato che guida la ricerca, ha trascorso "giorno e notte" in laboratorio per elaborare e produrre film di ossido di zirconio antiferroelettrico senza perdite di dimensioni di singoli nanometri. Il passo successivo, secondo Khan, è che i ricercatori capiscano esattamente come controllare la dimensione dei cristalliti, adattando così le proprietà del materiale per il suo utilizzo nei circuiti.
Il ricercatore ha anche collaborato con ricercatori della Charles University nella Repubblica Ceca e dell'Universidad Andres Bello in Cile rispettivamente per la caratterizzazione della diffrazione dei raggi X e per i calcoli basati sui primi principi.
"È stato davvero uno sforzo collaborativo, che ha attraversato più continenti", ha affermato Tasneem.
I risultati dovrebbero anche parlare di questioni di fisica fondamentale, secondo Bassiri-Gharb. Negli ultimi anni, nello studio degli antiferroelettrici è sorto un mistero, mettendo in discussione il modo in cui le strutture cristalline microscopiche causano una polarizzazione macroscopica.
"Trovare due tipi molto diversi di materiali, ferroelettrici e antiferroelettrici con diverse strutture atomiche, per seguire comportamenti e leggi simili è particolarmente eccitante", ha affermato Bassiri-Gharb. "Apre le porte alla ricerca di più somiglianze e al trasferimento di più della nostra conoscenza attraverso i campi". + Esplora ulteriormente
