氧化铪：揭开下一代半导体的秘密

美国能源部橡树岭国家实验室的科学家研究了二氧化铪（hafnium oxide）在半导体应用中的潜力，揭示了其行为可能受到周围大气的影响。他们的发现为未来的存储技术提供了有希望的启示，因为它具有在新型半导体应用中的潜力。

像氧化铪这样的材料具有铁电性，这意味着即使在没有电源的情况下它们也可以长时间存储数据。这些特性表明这些材料可能在开发新的非易失性存储技术方面发挥关键作用。创新的非易失性存储器应用将通过减轻数据持续传输到短期存储器所产生的热量，为创建更大、更快的计算机系统铺平道路。

了解 Hafnia 的电气行为

科学家们探索了当施加外部电场时，大气是否在二氧化铪改变其内部电荷排列的能力中发挥作用。目的是解释在二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。

「我们已经最终证明，这些系统中的铁电行为与表面耦合，并且可以通过改变周围的大气来调节。以前，这些系统的工作原理都是推测，这是基于我们小组和世界各地多个小组的大量观察得出的假设，」ORNL 纳米相材料科学中心的研究员凯尔·凯利 (Kyle Kelley) 说。CNMS 是美国能源部科学办公室的用户设施。

凯利与田纳西大学诺克斯维尔分校的谢尔盖·加里宁 (Sergei Kalinin) 合作进行了实验并设想了该项目。

表层与内存应用

通常用于存储器应用的材料具有表面层或死层，该层会干扰材料存储信息的能力。随着材料缩小到只有几纳米厚，死层的影响变得极端到足以完全停止功能特性。通过改变大气，科学家们能够调整表面层的行为，在氧化铪中，将材料从反铁电态转变为铁电态。

凯利说：「最终，这些发现为铪的预测建模和设备工程提供了一条途径，鉴于这种材料在半导体行业的重要性，这是迫切需要的。」

预测建模使科学家能够利用以前的研究来估计未知系统的属性和行为。凯利和加里宁领导的研究重点是氧化铪与陶瓷材料氧化锆的合金或混合。然而，未来的研究可以应用这些发现来预测二氧化铪与其它元素形成合金时的行为。

研究方法与合作

该研究依赖于手套箱内和环境条件下的原子力显微镜，以及 CNMS 提供的超高真空原子力显微镜方法。

「利用独特的 CNMS 功能使我们能够完成此类工作，」凯利说。「我们基本上改变了环境，从环境大气到超高真空。换句话说，我们将大气中的所有气体去除到可以忽略不计的水平，并测量了这些反应，这是极其困难的。」

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发挥了关键作用，弗吉尼亚大学的合作者领导了材料的开发和优化。

ORNL 的 CNMS 研究员 Yongtao Liu 进行了环境压力响应力显微镜测量。

支持该研究项目的模型理论是乌克兰国家科学院物理研究所 Kalinin 和 Anna Morozovska 长期研究合作的成果。

团队的见解

「我与基辅的同事在铁电体物理和化学领域工作了近 20 年，」Kalinin 说。「当他们几乎身处该国战争的前线时，他们为这篇论文做了很多工作。这些人在我们大多数人无法想象的条件下继续从事科学研究。」

该团队希望他们的发现能够激发新的研究，专门探索受控表面和界面电化学（电与化学反应之间的关系）在计算设备性能中的作用。

凯利说：「未来的研究可以将这些知识扩展到其他系统，以帮助我们了解界面如何影响设备属性，希望这将是一个好的方式。通常，当缩放到这些厚度时，界面会破坏你的铁电特性。在这个例子中，它向我们展示了从一种物质状态到另一种物质状态的转变。」

Kalinin 补充道：「传统上，我们在原子水平上探索表面，以了解化学反应性和催化作用或化学反应速率的改变等现象。同时，在传统半导体技术中，我们的目标只是保持表面清洁，免受污染物影响。我们的研究表明，事实上，这两个区域——表面和电化学——是相互关联的。我们可以利用这些材料的表面来调整它们的整体功能特性。」