Vue intérieure de la chambre à vide dans laquelle se déroule le processus de « dépôt laser pulsé », utilisé pour créer les cristaux d'oxyde d'hafnium dans cette étude. A gauche le substrat incandescent sur lequel le film se développe avec contrôle atomique; au centre le plasma bleu d'ions qui est créé en tirant un laser sur une cible avec la bonne composition chimique (cible visible sur le côté droit de la figure). Crédit :Henk Bonder, Université de Groningue
L'utilisation de ferroélectricité au lieu du magnétisme dans la mémoire de l'ordinateur permet d'économiser de l'énergie. Si les bits ferroélectriques étaient nanométriques, cela permettrait également d'économiser de l'espace. Mais la sagesse conventionnelle dicte que les propriétés ferroélectriques disparaissent lorsque les bits sont réduits. Les rapports selon lesquels l'oxyde d'hafnium peut être utilisé pour fabriquer un ferroélectrique à l'échelle nanométrique n'ont pas encore convaincu le domaine, cependant, les physiciens de l'Université de Groningen (UG) ont maintenant rassemblé des preuves qui pourraient persuader les sceptiques, Publié dans Matériaux naturels le 22 octobre.
Les matériaux ferroélectriques ont un moment dipolaire spontané qui peut pointer vers le haut ou vers le bas. Cela signifie qu'ils peuvent être utilisés pour stocker des informations, tout comme les bits magnétiques sur un disque dur. L'avantage des bits ferroélectriques est qu'ils peuvent être écrits à basse tension et puissance. Les bits magnétiques nécessitent des courants importants pour créer un champ magnétique pour la commutation, et donc plus de puissance. L'inconvénient des ferroélectriques est que les dipôles alignés ne sont stables que dans des groupes assez grands, donc si vous rendez les cristaux plus petits, le moment dipolaire finit par disparaître.
Scepticisme
« La réduction de la taille des matériaux ferroélectriques est un sujet de recherche depuis plus de 20 ans, " déclare Beatriz Noheda, professeure de nanomatériaux fonctionnels de l'UG. Il y a environ huit ans, une percée a été annoncée par le Laboratoire des matériaux nanoélectroniques de Dresde, Allemagne. Ils ont affirmé que les films minces d'oxyde d'hafnium étaient ferroélectriques lorsqu'ils étaient plus fins que dix nanomètres et que les films plus épais perdaient en fait leurs propriétés ferroélectriques. Nohéda dit, "Cela allait à l'encontre de tout ce que nous savions, donc la plupart des scientifiques étaient sceptiques, y compris moi. » Une partie du scepticisme était due au fait que les échantillons de hafnium ferroélectrique utilisés dans ces études étaient polycristallins et présentaient des phases multiples, obscurcissant toute compréhension fondamentale claire d'un phénomène aussi peu conventionnel.
Noheda et son groupe ont décidé d'enquêter. Ils voulaient étudier ces cristaux en faisant croître des films propres (monophasés) sur un substrat. En utilisant des techniques de diffusion des rayons X et de microscopie électronique à haute résolution, ils ont observé que des films très minces (moins de dix nanomètres) se développent dans une structure polaire totalement inattendue et inconnue auparavant, ce qui est nécessaire pour la ferroélectricité. En combinant ces observations avec des mesures de transport méticuleuses, ils ont confirmé que le matériau était bien ferroélectrique. "Dans le substrat que nous avons utilisé, les atomes étaient un peu plus proches que ceux de l'oxyde d'hafnium, donc les cristaux d'hafnium seraient un peu tendus, " explique Nohéda.
Phase polaire
A leur grande surprise, ils ont remarqué que la structure cristalline changeait lorsque les couches dépassaient dix nanomètres, reproduisant ainsi les résultats du laboratoire de Dresde. Noheda :« Nous avons utilisé une méthode totalement différente, mais nous sommes arrivés à des conclusions similaires. Cela a confirmé que la ferroélectricité dans les cristaux d'oxyde d'hafnium nanométriques est bien réelle et non conventionnelle. Et cela soulevait la question :pourquoi cela se produit-il ? »
Le dénominateur commun aux deux études était la taille. Les petits cristaux sont devenus ferroélectriques, alors que les cristaux plus gros ont perdu cette propriété. Cela a conduit les scientifiques à étudier les diagrammes de phases de l'oxyde d'hafnium. De très petite taille, les particules ont une très grande énergie de surface, créant des pressions allant jusqu'à 5 gigapascals dans le cristal. Les diagrammes de phases montrent un arrangement cristallin différent à une telle pression. « Cette pression, avec la contrainte imposée au substrat, induit une phase polaire, ce qui va dans le sens du constat que ces cristaux sont ferroélectriques, " conclut Nohéda.
Cycle de réveil
Une autre constatation importante est que, contrairement aux films minces de Dresde, les nouveaux cristaux n'ont pas besoin d'un cycle de « réveil » pour devenir ferroélectriques. Noheda : « Les couches minces étudiées précédemment ne sont devenues ferroélectriques qu'après avoir subi un certain nombre de cycles de commutation. Cela a accru la suspicion que la ferroélectricité était une sorte d'artefact. " échantillons cultivés par d'autres techniques. Dans notre matériel, l'alignement est déjà présent dans les cristaux."
De l'avis de Noheda, les résultats sont concluants :l'oxyde d'hafnium est ferroélectrique à l'échelle nanométrique. Cela signifie que de très petits morceaux peuvent être construits à partir de ce matériau, avec l'avantage supplémentaire qu'ils commutent à basse tension. Par ailleurs, le substrat particulier utilisé dans cette étude est magnétique, et cette combinaison de bits magnétiques et ferroélectriques apporte un degré de liberté supplémentaire, permettant à chaque bit de stocker le double de l'information. Maintenant que le mécanisme de la ferroélectricité nanométrique est clair, il semble probable que d'autres oxydes simples pourraient avoir des propriétés similaires. Noheda s'attend à ce qu'ensemble, cela déclenchera beaucoup de nouvelles recherches.
