科学家揭开表面半导体重要材料之谜

橡树岭国家实验室的一组科学家研究了氧化铪或二氧化铪的行为，因为它具有在新型半导体应用中的潜力。

诸如氧化铪之类的材料具有铁电性，这意味着即使在断电的情况下它们也能够扩展数据存储，并且它们可以用于开发新的所谓的非易失性存储技术。创新的非易失性存储器应用将通过减轻数据持续传输到短期存储器所产生的热量，为创建更大、更快的计算机系统铺平道路。

科学家们探索了当施加外部电场时，大气是否在二氧化铪改变其内部电荷排列的能力中发挥作用。目的是解释在二氧化铪研究中获得的一系列不寻常现象。该团队的研究结果最近发表在《自然材料》上。

“我们已经最终证明，这些系统中的铁电行为与表面耦合，并且可以通过改变周围的大气来调节。以前，这些系统的工作原理都是推测，这是基于我们小组和世界各地多个小组的大量观察得出的假设，”ORNL 纳米相材料科学中心的研究员凯尔·凯利 (Kyle Kelley) 说。CNMS 是科学办公室的用户设施。

凯利与田纳西大学诺克斯维尔分校的谢尔盖·加里宁 (Sergei Kalinin) 合作进行了实验并设想了该项目。

通常用于存储应用的材料具有表面层或死层，该层会干扰材料存储信息的能力。随着材料缩小到只有几纳米厚，死层的影响变得极端到足以完全停止功能特性。通过改变大气，科学家们能够调整表面层的行为，在氧化铪中，将材料从反铁电态转变为铁电态。

凯利说：“最终，这些发现为铪的预测建模和设备工程提供了一条途径，鉴于这种材料在半导体行业的重要性，这是迫切需要的。”

预测建模使科学家能够利用以前的研究来估计未知系统的属性和行为。凯利和加里宁领导的研究重点是氧化铪与陶瓷材料氧化锆的合金或混合。但未来的研究可以应用这些发现来预测二氧化铪与其他元素形成合金时的行为。

该研究 依赖于手套箱内和环境条件下的原子力显微镜，以及 CNMS 提供的超高真空原子力显微镜方法。

“利用独特的 CNMS 功能使我们能够完成此类工作，”Kelley 说。“我们基本上改变了环境，从环境大气到超高真空。换句话说，我们将大气中的所有气体去除到可以忽略不计的水平，并测量了这些反应，这是极其困难的。”

卡内基梅隆大学材料表征设施的团队成员通过提供电子显微镜表征在研究中发挥了关键作用，弗吉尼亚大学的合作者领导了材料的开发和优化。

ORNL 的 CNMS 研究员 Yongtao Liu 进行了环境压力响应力显微镜测量。

支持该研究项目的模型理论是乌克兰国家科学院物理研究所 Kalinin 和 Anna Morozovska 长期研究合作的成果。