Скотт Гибсон, Окриджская национальная лаборатория
отредактировано Лизой Лок, проверено Робертом Иганом
Этот эффект может снизить энергопотребление и тепловыделение в будущих устройствах.
Фото: Адам Малин/ORNL, Министерство энергетики США
Ученые из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США впервые продемонстрировали, что сегнетоэлектрические свойства можно напрямую записать в нитрид алюминия с помощью сфокусированного пучка ионов гелия в Центре изучения нанофазных материалов (Center for Nanophase Materials Sciences. CNMS) при Окриджской национальной лаборатории. Сегнетоэлектрическим устройствам не требуется постоянное питание для хранения данных, что позволяет создавать более надежные и менее энергозатратные устройства, чем те, что доступны сейчас.
Исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials, представляет собой новый подход к обработке вюрцитных нитридов III-V, класса полупроводников, которые уже широко используются в микроэлектронике, но их сегнетоэлектрический потенциал был обнаружен только в 2019 году.
«Сегодня и материал, и метод обработки уже используются в производстве микросхем: нитрид алюминия широко применяется во многих устройствах 5G и Wi-Fi, а пучки ионов гелия — распространенный инструмент для внесения незначительных изменений в схемы», — говорит Богдан Дрыжаков, научный сотрудник Окриджской национальной лаборатории в Центре нанонауки и нанотехнологий.
«Новизна заключается в том, что мы объединяем их, чтобы «записать» сегнетоэлектрические области там, где нам нужно. Это значит, что производителям чипов не придется внедрять новый материал или новый этап производства — мы по-новому используем то, что у них уже есть».
Сегнетоэлектрические материалы обладают встроенной электрической поляризацией, которую можно изменить на противоположную, подав внешнее напряжение. Это обратимое переключение между двумя состояниями поляризации можно использовать для хранения информации, подобно тому, как цифровой переключатель представляет собой двоичные данные.
В традиционных исследованиях и теориях, посвященных сегнетоэлектрикам, для снижения энергии, необходимой для переключения, используется «размягчение» кристаллической структуры материала. В таких сегнетоэлектриках дефекты представляют собой нарушения в кристаллической решетке — упорядоченном расположении атомов. Дефекты считаются нежелательными, поскольку они повышают энергетические затраты на переключение и увеличивают утечку тока. Однако нитрид алюминия относится к новому семейству сегнетоэлектриков — нитридам вюрцита, и его свойства отличаются от свойств традиционных сегнетоэлектрических кристаллов. «Большая часть теории сегнетоэлектриков построена на материалах с мягким режимом, в котором в процессе переключения участвует вся кристаллическая решетка», — говорит Дрыжаков.
«В нитриде алюминия и других вюрцитных нитридах III-го периода дефекты позволяют одномерным каналам переключаться независимо друг от друга. Это новый взгляд на то, как происходит сегнетоэлектрическое переключение в материалах». Чтобы проверить эту идею, исследователи использовали ионный пучок гелия шириной около 1 нанометра — он достаточно мал, чтобы воздействовать на отдельные элементы с почти атомарной точностью. Пучок создает точечные дефекты, не нарушая структуру кристалла.
«Мы смогли подвергнуть нитрид алюминия воздействию очень высоких доз ионов гелия, и он сохранил свою кристаллическую структуру, — говорит научный сотрудник Окриджской национальной лаборатории Кайл Келли, который также работает в Центре наноразмерных материалов Окриджской национальной лаборатории. — Это говорит о том, что эти вюрцитовые материалы обладают высокой радиационной стойкостью».
Команда исследователей обнаружила, что обработанному нитриду алюминия требуется примерно на 40% меньше энергии для изменения поляризации. Кроме того, они зафиксировали более сильную пьезоэлектрическую реакцию, то есть материал сильнее деформируется под воздействием электрического поля. Этот электромеханический эффект полезен для устройств, преобразующих электрические сигналы в движение или звук и наоборот, таких как радиочастотные фильтры и резонаторы, широко используемые в аппаратуре беспроводной связи.
Поскольку в основе сегнетоэлектрической памяти лежит переключение поляризации, ее реализация при доступном напряжении в нитриде алюминия с использованием технологий, совместимых с современными методами производства кремниевых чипов, может помочь в создании более надежной памяти для сложных приложений и укрепить лидерство США в области передовой микроэлектроники.
Компьютерное моделирование и лабораторные измерения показывают, что ключевую роль играет то, как дефекты влияют на переключение. Вместо того чтобы заставлять весь кристалл переворачиваться целиком, дефекты позволяют узким столбцам атомов, похожим на крошечные вертикальные «нити», пронизывающие материал, самостоятельно менять направление электрического тока. Основная часть кристалла остается нетронутой, а за переключение отвечают эти нитевидные участки.
Поскольку нитрид алюминия уже широко используется в производстве стандартных микросхем, этот материал может оказаться более подходящим для создания реальных устройств, чем многие другие, которые используются только в лабораторных условиях. По словам исследователей, это открытие может расширить поиск сегнетоэлектриков, поскольку оно указывает на то, что другие материалы могут проявлять неожиданные свойства, если контролировать дефекты, а не избегать их. Был подан предварительный патент на метод ионной бомбардировки, который позволяет выборочно создавать дефекты, сохраняя общую структуру материала. Работа была поддержана программами Министерства энергетики США, в том числе Центром трехмерной сегнетоэлектрической микроэлектроники, и выполнялась с использованием возможностей Центра наноразмерных материалов.
Сведения о публикации
Богдан Дрыжаков и др., «Выявление сегнетоэлектрических механизмов нитрида алюминия, обусловленных дефектами», Advanced Materials (2026). DOI: 10.1002/adma.202520258
Информация о журнале: Advanced Materials
Предоставлено Окриджской национальной лабораторией
источник: https://techxplore.com/news/2026-05-focused-helium-ions-ferroelectric-regions.html