Films minces à base d'hafnium, avec une épaisseur de quelques nanomètres seulement, présentent une forme non conventionnelle de ferroélectricité. Cela permet la construction de mémoires ou de dispositifs logiques de taille nanométrique. Cependant, il n'était pas clair comment la ferroélectricité pourrait se produire à cette échelle. Une étude menée par des scientifiques de l'Université de Groningue a montré comment les atomes se déplacent dans un condensateur à base d'hafnium :les atomes d'oxygène en migration (ou lacunes) sont responsables de la commutation et du stockage de charge observés. Les résultats, qui ont été publiés en ligne par la revue Science le 15 avril, ouvrir la voie à de nouveaux matériaux ferroélectriques.

Les matériaux ferroélectriques présentent une polarisation spontanée qui peut être inversée ou commutée à l'aide d'un champ électrique. Il est utilisé dans les mémoires non volatiles ou la construction de dispositifs logiques. Un inconvénient de ces matériaux est que lorsque la taille des cristaux est réduite en dessous d'une certaine limite, les propriétés ferroélectriques sont perdues. Cependant, Quelques années auparavant, les chercheurs ont suggéré que les oxydes à base d'hafnium pourraient présenter une ferroélectricité à des dimensions nanométriques.

Microscope

En 2018, une équipe dirigée par Beatriz Noheda, professeur de nanomatériaux fonctionnels à l'Université de Groningen, ont confirmé ces propriétés particulières des oxydes d'hafnium. "Toutefois, nous ne savions pas exactement comment cette ferroélectricité s'est produite, " dit-elle. " Nous savions que le mécanisme de ces membranes minces à base d'hafnium est différent. Comme la commutation ferroélectrique est quelque chose qui se produit à l'échelle atomique, nous avons décidé d'étudier comment la structure atomique de ce matériau réagit à un champ électrique, à la fois en utilisant la puissante source de rayons X du synchrotron MAX-IV à Lund et notre formidable microscope électronique à Groningue."

L'Université abrite un microscope électronique de pointe au centre de microscopie électronique de l'Institut Zernike pour les matériaux avancés, avec laquelle le groupe de Bart Kooi, co-auteur du Science papier, a réussi à imager les atomes les plus légers du tableau périodique, l'hydrogène, pour la première fois en 2020. C'est là qu'intervient le premier auteur Pavan Nukala. Il a travaillé en tant que chercheur Marie Curie à l'Université de Groningue et avait une formation en microscopie électronique et la science des matériaux, en particulier dans ces systèmes ferroélectriques au hafnium.

Oxygène

Cependant, si la préparation d'un échantillon pour l'imagerie des atomes est délicate, alors la nécessité d'appliquer un champ électrique à travers un dispositif in situ augmente la difficulté de plusieurs ordres de grandeur. Heureusement, à peu près à la même époque, Majid Ahmadi (un maître des expériences in situ) a rejoint le groupe de Kooi. "Nous étions tous assez convaincus que s'il y avait un endroit où la commutation du hafnium pouvait être visualisée in situ à l'échelle atomique, ce serait ici au centre de microscopie électronique du ZIAM. Il bénéficie d'une combinaison unique de la bonne expertise en science des matériaux, microscopie et infrastructures, " explique Nohéda.

Les protocoles appropriés pour la construction de condensateurs transparents aux électrons à base d'hafnium à l'aide d'une installation de faisceau d'ions focalisés ont été développés par Ahmadi et Nukala. "Nous avons imagé le réseau atomique d'oxyde d'hafnium-zirconium entre deux électrodes, y compris les atomes d'oxygène légers, " explique Nukala. " Les gens croyaient que le déplacement des atomes d'oxygène dans l'hafnium donne lieu à une polarisation. Donc, toute microscopie n'aurait de sens que si l'oxygène pouvait être imagé et que nous disposions de l'outil exact pour cela. Ensuite, nous avons appliqué une tension externe au condensateur et observé les changements atomiques en temps réel. » Une telle expérience in situ avec imagerie directe des atomes d'oxygène à l'intérieur du microscope électronique n'avait jamais été réalisée.

Migration

"Une caractéristique importante que nous avons observée est que les atomes d'oxygène se déplacent, " explique Nukala. " Ils sont chargés et migrent suivant le champ électrique entre les électrodes à travers la couche d'hafnium. Un tel transport de charge réversible permet la ferroélectricité. » Noheda ajoute :« Ce fut une grosse surprise. »

Il y a aussi un petit décalage dans les positions atomiques à l'échelle du picomètre à l'intérieur des cellules unitaires, mais l'effet global de la migration d'oxygène d'un côté à l'autre sur la réponse du dispositif est beaucoup plus important. Cette découverte ouvre la voie à de nouveaux matériaux qui pourraient être utilisés pour des dispositifs de stockage et logiques de taille nanométrique. "Les mémoires ferroélectriques à base d'hafnium sont déjà en production, même si le mécanisme derrière leur comportement était inconnu, " dit Nukala. " Nous avons maintenant ouvert la voie à une nouvelle génération de conducteurs d'oxygène, matériaux ferroélectriques compatibles avec le silicium."

Nohéda, qui est le directeur de CogniGron, le Groningue Cognitive Systems and Materials Center, qui développe de nouveaux matériaux pour l'informatique cognitive, peut voir des applications intéressantes pour le nouveau type de matériaux ferroélectriques. "La migration de l'oxygène est beaucoup plus lente que la commutation dipolaire. Dans les systèmes de mémoire qui pourraient émuler la mémoire à court et à long terme des cellules du cerveau, les scientifiques des matériaux tentent actuellement de créer des systèmes hybrides à partir de différents matériaux pour combiner ces deux mécanismes. "Nous pouvons maintenant le faire dans le même matériau. Et en contrôlant le mouvement de l'oxygène, nous pourrions créer des états intermédiaires, de nouveau, comme on en trouve dans les neurones."

Défauts

Nukala, qui est maintenant professeur adjoint à l'Indian Institute of Science, s'intéresse également à l'exploration des propriétés piézoélectriques ou électromécaniques du matériau. "Tous les ferroélectriques conventionnels sont également piézoélectriques. Qu'en est-il de ces nouveaux non toxiques, ferroélectriques respectueux du silicium ? Il y a ici une opportunité d'explorer leur potentiel dans les systèmes microélectromécaniques."

À la fin, les propriétés de ce nouveau matériau découlent d'imperfections. "L'oxygène ne peut voyager que parce qu'il y a des lacunes d'oxygène à l'intérieur de la structure cristalline, " dit Nukala. " En fait, vous pourriez également décrire ce qui se passe comme une migration de ces postes vacants. Ces défauts structurels sont la clé du comportement ferroélectrique et, en général, confèrent aux matériaux de nouvelles propriétés.