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Au cours des dernières années, une classe de matériaux appelés antiferroélectriques a été de plus en plus étudiée pour ses applications potentielles dans les dispositifs de mémoire des ordinateurs modernes. La recherche a montré que les mémoires antiferroélectriques pourraient avoir une plus grande efficacité énergétique et des vitesses de lecture et d'écriture plus rapides que les mémoires conventionnelles, entre autres attributs attrayants. De plus, les mêmes composés qui peuvent présenter un comportement antiferroélectrique sont déjà intégrés dans les processus de fabrication de puces semi-conductrices existants.
Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs de Georgia Tech a découvert un comportement familier inattendu dans le matériau antiferroélectrique connu sous le nom de dioxyde de zirconium, ou zircone. Ils montrent que lorsque la microstructure du matériau est réduite en taille, il se comporte de manière similaire à des matériaux bien mieux compris connus sous le nom de ferroélectriques. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Advanced Electronic Materials .
La miniaturisation des circuits a joué un rôle clé dans l'amélioration des performances de la mémoire au cours des cinquante dernières années. Savoir comment les propriétés d'un antiferroélectrique changent avec une taille réduite devrait permettre la conception de composants de mémoire plus efficaces.
Les chercheurs notent également que les résultats devraient avoir des implications dans de nombreux autres domaines que la mémoire.
"Les antiferroélectriques ont une gamme de propriétés uniques comme une fiabilité élevée, une endurance à haute tension et des températures de fonctionnement larges qui les rendent utiles dans une multitude de dispositifs différents, y compris des condensateurs à haute densité d'énergie, des transducteurs et des circuits électro-optiques. » a déclaré Nazanin Bassiri-Gharb, co-auteur de l'article et professeur à la Woodruff School of Mechanical Engineering et à la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech. "Mais les effets de mise à l'échelle de la taille étaient passés sous silence pendant longtemps."
"Vous pouvez concevoir votre appareil et le rendre plus petit en sachant exactement comment le matériau va fonctionner", a déclaré Asif Khan, co-auteur de l'article et professeur adjoint à la School of Electrical and Computer Engineering et à la School of Materials Science and Engineering de Georgia. Technologie. "De notre point de vue, cela ouvre vraiment un nouveau champ de recherche."
Champs durables
La caractéristique déterminante d'un matériau antiferroélectrique est la manière particulière dont il répond à un champ électrique externe. Cette réponse combine les caractéristiques des matériaux non ferroélectriques et ferroélectriques, qui ont été beaucoup plus étudiées en physique et en science des matériaux.
Pour les ferroélectriques, l'exposition à un champ électrique externe d'une intensité suffisante rend le matériau fortement polarisé, qui est un état dans lequel le matériau présente son propre champ électrique interne. Même lorsque le champ électrique externe est supprimé, cette polarisation persiste, de la même manière qu'un clou en fer peut devenir magnétisé en permanence.
Le comportement d'un matériau ferroélectrique dépend aussi de sa taille. Au fur et à mesure qu'un échantillon de matériau est rendu plus mince, un champ électrique plus fort est nécessaire pour créer une polarisation permanente, conformément à une loi précise et prévisible appelée loi de Janovec-Kay-Dunn (JKD).
En revanche, l'application d'un champ électrique externe à un antiferroélectrique ne provoque pas la polarisation du matériau - dans un premier temps. Cependant, à mesure que la force du champ externe augmente, un matériau antiferroélectrique passe finalement à une phase ferroélectrique, où la polarisation s'installe brusquement. Le champ électrique nécessaire pour faire passer l'antiferroélectrique à une phase ferroélectrique est appelé champ critique.
Échelle de taille
Dans le nouveau travail, les chercheurs ont découvert que les antiferroélectriques de zircone obéissent également à quelque chose comme une loi JKD. Cependant, contrairement aux ferroélectriques, la microstructure du matériau joue un rôle clé. La force des échelles de champ critique dans le modèle JKD spécifiquement en ce qui concerne la taille des structures connues sous le nom de cristallites dans le matériau. Pour une taille de cristallite plus petite, il faut un champ critique plus fort pour faire basculer un matériau antiferroélectrique dans sa phase ferroélectrique, même si la finesse de l'échantillon reste la même.
"Il n'y avait pas eu de loi prédictive qui dicte comment la tension de commutation changera à mesure que l'on miniaturise ces dispositifs à oxyde antiferroélectrique", a déclaré Khan. "Nous avons trouvé une nouvelle tournure à une ancienne loi."
Auparavant, les antiferroélectriques minces étaient difficiles à produire dans des tailles comparables à celles des ferroélectriques, ont déclaré les chercheurs. Nujhat Tasneem, le doctorant à la tête de la recherche, a passé "jour et nuit" dans le laboratoire selon Khan pour traiter et produire des films d'oxyde de zirconium antiferroélectriques sans fuite d'une taille d'un nanomètre. La prochaine étape, selon Khan, consiste pour les chercheurs à déterminer exactement comment contrôler la taille des cristallites, adaptant ainsi les propriétés du matériau pour son utilisation dans les circuits.
Le chercheur a également collaboré avec des chercheurs de l'Université Charles en République tchèque et de l'Université Andres Bello au Chili pour la caractérisation de la diffraction des rayons X et les calculs basés sur les premiers principes, respectivement.
"C'était vraiment un effort de collaboration, couvrant plusieurs continents", a déclaré Tasneem.
Les résultats devraient également aborder des questions fondamentales de physique, selon Bassiri-Gharb. Ces dernières années, un mystère est apparu dans l'étude des antiferroélectriques, la manière dont les structures cristallines microscopiques provoquent une polarisation macroscopique étant remise en question.
"Trouver deux types de matériaux très différents - ferroélectriques et antiferroélectriques avec des structures atomiques différentes - pour suivre des comportements et des lois similaires est particulièrement excitant", a déclaré Bassiri-Gharb. "Cela ouvre des portes pour rechercher plus de similitudes et transférer davantage de nos connaissances à travers les domaines." Des physiciens conçoivent une nouvelle propriété à partir de graphène "blanc"
