研究人员在有前途的计算机内存材料中发现了可预测的行为

在过去的几年中，人们越来越多地研究了一类称为反铁电体的材料，因为它在现代计算机存储设备中的潜在应用。研究表明，与传统存储器相比，基于反铁电的存储器可能具有更高的能源效率和更快的读写速度，以及其他吸引人的属性。此外，可以表现出反铁电行为的相同化合物已经集成到现有的半导体芯片制造工艺中。

现在，由佐治亚理工学院研究人员领导的一个团队在被称为二氧化锆或氧化锆的反铁电材料中发现了出人意料的熟悉行为。他们表明，随着材料的微观结构尺寸减小，它的行为类似于被更好理解的称为铁电体的材料。该研究结果最近发表在《先进电子材料》杂志上。

在过去的五十年中，电路的小型化在提高存储器性能方面发挥了关键作用。了解反铁电的特性如何随着尺寸的缩小而变化，应该能够设计出更有效的存储器组件。

研究人员还指出，除了记忆之外，这些发现还应该对许多其他领域产生影响。

“反铁电体具有一系列独特的特性，如高可靠性、高耐压性和宽广的工作温度，使其可用于各种不同的设备，包括高能量密度电容器、换能器和电光电路。”该论文的合著者、乔治亚理工大学伍德拉夫机械工程学院和材料科学与工程学院教授NazaninBassiri-Gharb说。“但很长一段时间以来，尺寸缩放效应在很大程度上都被忽视了。”

该论文的合著者、佐治亚州电气与计算机工程学院和材料科学与工程学院的助理教授AsifKhan说：“您可以设计您的设备并使其更小，因为您可以准确了解材料的性能。”技术。“从我们的角度来看，它确实开辟了一个新的研究领域。”

持久的领域

反铁电材料的定义特征是它对外部电场的特殊响应方式。这种响应结合了非铁电材料和铁电材料的特性，这在物理学和材料科学中得到了更深入的研究。

对于铁电体，暴露于足够强度的外部电场会使材料变得强烈极化，这是材料表现出自身内部电场的状态。即使去除外部电场，这种极化仍然存在，类似于铁钉如何被永久磁化。

铁电材料的行为还取决于其尺寸。根据称为Janovec-Kay-Dunn(JKD)定律的精确且可预测的定律，随着材料样品变得更薄，需要更强的电场来产生永久极化。

相比之下，对反铁电体施加外部电场并不会导致材料极化——起初。然而，随着外场强度的增加，反铁电材料最终会转变为铁电相，此时极化突然开始。将反铁电转变为铁电相所需的电场称为临界场。

尺寸缩放

在这项新工作中，研究人员发现氧化锆反铁电体也遵循JKD定律。然而，与铁电体不同的是，材料的微观结构起着关键作用。临界场的强度在JKD模式中成比例，特别是与材料内称为微晶的结构尺寸有关。对于较小的微晶尺寸，即使样品的厚度保持不变，也需要更强的临界场才能将反铁电材料转变为铁电相。

“在这些反铁电氧化物器件的小型化过程中，还没有一种预测定律来规定开关电压将如何变化，”Khan说。“我们发现了旧法律的新变化。”

研究人员说，以前，薄的反铁电体很难生产出与铁电体相当的尺寸。据Khan称，领导这项研究的博士生NujhatTasneem在实验室“日夜”，以加工和生产单纳米尺寸的无泄漏反铁电氧化锆薄膜。根据Khan的说法，下一步是让研究人员确切地弄清楚如何控制微晶尺寸，从而调整材料的特性以用于电路中。

研究人员还与捷克共和国查尔斯大学和智利安德烈斯贝洛大学的研究人员合作，分别进行X射线衍射表征和基于第一性原理的计算。

“这确实是一项跨越多个的协作努力，”Tasneem说。

根据Bassiri-Gharb的说法，结果还应该涉及基本的物理问题。近年来，在反铁电体的研究中出现了一些谜团，微观晶体结构导致宏观极化的方式受到质疑。

“发现两种截然不同的材料——具有不同原子结构的铁电材料和反铁电材料——遵循相似的行为和规律是特别令人兴奋的，”Bassiri-Gharb说。“它为寻找更多相似之处和在各个领域传递更多知识打开了大门。”