| 0 |
|
С ферроэлектриками — материалами, обладающими внутренней электрической поляризацией, ученые связывают перспективы создания устройств хранения цифровой информации, превосходящих по возможностям магнитные накопители. Но прежде чем эти планы станут реальностью, требуется понять и преодолеть ряд технологических проблем, и в том числе свойство ферроэлектриков «забывать» записанные данные.
В своем недавнем исследовании специалисты Брукхэвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США выявили асимметричность свойств ферроэлектриков на наноуровне, что позволяет объяснить характерные для них ограничения. Результаты работы, опубликованные в Nature Communications, открывают новые направления дальнейшего развития ферроэлектрической технологии.
«Коммерческое внедрение ферроэлектриков сдерживается усталостью материала, внезапным обращением поляризации и несимметричными зарядовыми предпочтениями, — сообщил соавтор статьи Имэй Чжу (Yimei Zhu). — Мы заподозрили, что причина этих проблем коренится в атомных взаимодействиях на поверхности раздела между ферроэлектрической пленкой и подложкой».
Ученые выбрали в качестве объекта для изучения ферроэлектрические пленки цирконат-титаната свинца (PZT), выращенные на проводящей основе из титаната стронция с небольшой примесью ниобия (Nb-STO). Они поставили перед собой неординарную задачу картографирования внутренних электрических полей в материалах толщиной в тысячи раз меньше человеческого волоса, причем делать это предстояло непосредственно в процессе работы.
В используемой ими методике электронной голографии трансмиссионный электронный микроскоп (TEM) посылает в образец волновые пакеты амплитудой 200 киловольт с точностью до миллиардной доли метра. Отрицательные и положительные электрические поля в материале привлекают или отталкивают электронную волну, слегка изменяя ее направление. Регистрация таких изменений позволяет визуализировать распределение зарядов в ферроэлектрической пленке.
Вместо ожидавшегося однородного распределения электрических полей, эксперимент показал изрезанную картину с доменами, располагающимися «лоб-в-лоб».
Отмеченная асимметрия была подтверждена измерениями тока, индуцированного электронным лучом, а также рядом других методов, включая пьезо-силовую микроскопию.
Такая конфигурация, как комментируют ученые, может объяснять проблемы с хранением цифровой информации, но сама оказалась абсолютно необъяснимой: с позиций сегодняшнего понимания ферроэлектрики она неустойчива и требует больших затрат энергии для поддержания.
Прояснить ситуацию позволило использование еще одного высокоточного метода зондирования интерфейса, спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (electron energy loss spectroscopy, EELS). Измеряя энергию, оставленную сфокусированным электронным лучом в каждой точке поверхности раздела двух материалов, EELS позволяла определить ее химический состав.
«Мы полагаем, что вблизи поверхности тонких пленок может теряться часть кислорода, создавая электронные «карманы», способные нейтрализовать положительные заряды на доменных стенах», — к таком вероятному объяснению в итоге пришли авторы работы.
Этот дефицит кислорода естественно формируется в материале и может объяснить стабилизацию доменов «голова-к-голове». Его негативное воздействие на надежность хранения данных можно блокировать, например, добавив между ферроэлектриком и подложкой еще один «жертвенный» слой. Кроме того, авторы выражают надежду, что их работа даст толчок поиску новых ферроэлектриков, которые позволили бы использовать или преодолеть этот неожиданный зарядовый эффект.
Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI
| 0 |
|
