Исследователи из МФТИ и Университета Небраски детально описали процесс переключения электрической поляризации оксида гафния, на основе которого предлагается производить запоминающие ячейки для компьютерных устройств нового поколения. На страницах журнала ACS Applied Materials and Interfaces учёные представили данные о поведении этого перспективного материала на микроскопическом уровне.

Вещество со структурной формулой Hf_0.5Zr_0.5O₂, которому посвящена статья — сегнетоэлектрик. Это значит, что в электрическом поле часть электронов смещается в сторону, создавая заряженный участок, — и даже если поле исчезнет, этот заряд останется на месте. Сегнетоэлектрики остаются поляризованными так же, как магниты (ферромагнетики) продолжают быть намагниченными: это очень ценное свойство, позволяющее, например, создавать микроскопические ячейки для компьютерной памяти.

Оксид гафния интересен также тем, что он, в отличие от многих «модных» материалов вроде графена или углеродных нанотрубок, уже применяется в микроэлектронной промышленности, например, в процессорах Intel. Свои сегнетооэлектрические свойства оксид гафния проявляет только в очень тонких (от 5 до 20 нанометров) плёнках, получить которые можно, например, методом атомно-слоевого осаждения.

Технологичность в сочетании с сегнетоэлектрическими свойствами были бесспорными плюсами, а вот минусом являлось отсутствие внятного представления о том, как именно переполяризуется материал, что же именно при этом с ним происходит. Изучить микроскопическую структуру оксида гафния непосредственно внутри плоского конденсатора (по сути — будущей ячейки памяти) удалось при помощи разновидности атомно-силового микроскопа — прибора, который не осматривал, а скорее «ощупывал» образец.

Передвигая вдоль поверхности материала особо острую иглу и подавая электрическое напряжение на обкладки конденсатора, были получены данные как о рельефе поверхности, в этой части метод напоминал атомно-силовую микроскопию, так и о распределении поляризации в материале.

Полученные в ходе экспериментов данные впервые позволили показать существование у оксида гафния доменов, то есть микроскопических участков сегнетоэлектрика с определённой поляризацией. Игла микроскопа, попадая на такие участки, по-разному отклонялась из-за изменений электрического поля, и это позволяло выявить границы доменов с точностью до нескольких нанометров.

Кроме того, учёные подтвердили перестройку кристаллической решётки оксида гафния в результате воздействия электрического поля. При перезарядке конденсаторов элементарные ячейки решётки из скошенных прямоугольных призм (так называемая моноклинная сингония) становятся прямоугольными параллелепипедами (это ромбическая сингония), а именно такие ячейки позволяют этому материалу становиться сегнетоэлектриком. Наличие таких изменений предполагалось рядом исследователей ранее, но для подтверждения этой гипотезы физикам недоставало информации.