美国橡树岭国家实验室的科学家们研究了氧化铪（hafnia）在半导体应用中的潜力，并发现其行为受周围大气的影响。他们的研究结果对未来的存储技术提供了有希望的启示。

美国能源部橡树岭国家实验室的一组科学家调查了氧化铪（hafnium oxide），又称氧化铪（hafnia），因其在新型半导体应用中的潜力而引起关注。

像氧化铪这样的材料具有铁电性，这意味着它们能够在没有电源的情况下长时间存储数据。这些特性表明这些材料在开发新型非挥发性存储器技术方面可能具有重要作用。创新的非挥发性存储器应用将通过减少数据传输到临时存储器中产生的热量，为更大、更快的计算机系统的创建铺平道路。

了解氧化铪的电性行为

科学家们探讨了大气是否在氧化铪在外加电场作用下改变其内部电荷排列能力方面起到作用。研究的目标是解释在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》杂志上。

“我们已经有确凿证据证明，这些系统中的铁电性行为与表面相结合，并可通过改变周围大气来调节。先前，这些系统的工作方式只是一种猜测，一种基于我们小组和全球多个小组的大量观察的假设，”橡树岭国家实验室的研究人员Kyle Kelley表示。他是纳米相材料科学中心（Center for Nanophase Materials Sciences，简称CNMS）的研究员。CNMS是美国能源部科学办公室的一个用户设施。

Kelley与田纳西大学诺克斯维尔分校的Sergei Kalinin合作进行了实验，并设想了这个项目。

表面层和存储器应用

传统上，用于存储器应用的材料都有一层表面或无效层，影响了材料的信息存储能力。随着材料被缩减到几纳米厚度，无效层的影响变得极其严重，完全阻止了功能性能。科学家们通过改变大气环境，能够调节表面层的行为。在氧化铪中，这使得材料从反铁电态转变为铁电态。

“这些发现为对氧化铪进行预测模拟和器件设计提供了途径，考虑到这种材料在半导体行业中的重要性，这是迫切需要的，”Kelley说。

预测模拟使科学家能够利用先前的研究来估计未知系统的性质和行为。Kelley和Kalinin领导的研究侧重于铪合金（或混合）氧化物，即锆石。然而，未来的研究可以利用这些发现来预测氧化铪与其他元素合金时的行为。

研究方法和合作

该研究依赖于原子力显微镜，包括在干箱和环境条件下的原子力显微镜，这些方法可在纳米相材料科学中心使用。

“利用纳米材料科学中心独特的能力使我们能够进行这种类型的工作，”Kelley说。“我们基本上从环境大气到超高真空改变了环境。换句话说，我们将大气中的所有气体除去到可以忽略不计的水平，并测量了这些响应，这是非常困难的。”

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起到了关键作用，弗吉尼亚大学的合作者领导了材料开发和优化。

橡树岭国家实验室的研究员Liu Yongtao （CNMS）进行了环境压电响应力显微镜测量。

这个研究项目的模型理论是Kalinin和乌克兰科学院物理研究所的Anna Morozovska之间长期合作的结果。

团队成员的见解

“我与基辅的同事在铁电体的物理和化学研究方面已经合作了近20年了，”Kalinin说。“即使在该国家面临战争的前沿，他们还是为这篇论文做出了很多贡献。这些人在我们无法想象的条件下从事科学研究。”

该团队希望他们所发现的能够激发针对探索控制表面和界面的电化学作用在计算设备性能中发挥的新研究。

“未来的研究可以将这些知识扩展到其他系统，以帮助我们理解界面如何影响器件的性能，希望是以积极的方式，”Kelley说。“通常情况下，界面会破坏你的铁电性能，当缩小到这些厚度时。但在这种情况下，我们观察到了从一种材料状态向另一种状态的转变。”