- 二氧化鈦在厚度降至3奈米以下時變為鐵電材料。
- 鐵電材料可在低電壓下運作，對節能記憶體有吸引力。
- 研究人員探索超薄鐵電材料以應用於半導體技術。
- 該發現可能助力開發高密度、低功耗設備。
當一種普通材料被壓縮至原子級厚度時會發生什麼？研究團隊以二氧化鈦 (TiO₂) 為例進行測試，結果發現了意想不到的現象。這種通常不具鐵電性的材料在厚度降至 3 奈米以下時竟變成了鐵電材料。這一轉變與材料內部的結構變化有關。隨著 TiO₂ 薄膜變得更薄，其晶格結構逐漸變形，最終打破了結構的對稱性，產生可切換的電極化。鐵電相持續到僅 1 奈米的厚度，約為 TiO₂ 單元格的兩倍大小。
鐵電材料的重要性
這一發現意義重大，因為鐵電材料可以在外加電場作用下反轉其極化，並且能在相對較低的電壓下運作，使其在節能記憶體和邏輯電路中極具吸引力。加州大學伯克利分校的教授兼研究作者之一 Sayeef Salahuddin 表示：「一種介電材料在縮至原子級時能經歷鐵電相變化，為相變物理和極性變形提供了令人興奮的機會。」
壓縮 TiO₂ 至原子級的過程中，鐵電性通常會隨著材料變薄而消失，而將超薄鐵電材料與硅電子產品整合仍然面臨挑戰。為了探索不同的解決方案，研究人員採取了不同的途徑。他們並非縮小現有的鐵電材料，而是提出一個問題：一種通常不具鐵電性的材料在足夠薄時是否能變為鐵電材料。這一方法基於研究團隊在 2020 年展示的在直接生長於硅上的 1 奈米厚的鉿氧化物薄膜中的鐵電切換現象。
研究方法與過程
該結果促使研究人員尋找其他可能在原子級厚度下顯示有用鐵電行為的材料。他們選擇了二氧化鈦，這是一種廣泛應用於半導體技術的介電材料，並且在顏料和紫外線過濾器等產品中也有發現。「在體相中，二氧化鈦是一種普遍存在的介電材料，具有有趣的光物理特性，我們在從防曬霜到催化劑的各個領域中都在利用它。這種不尋常的科學發生在納米尺度，當時它變成了鐵電材料。」研究團隊成員之一、洛倫斯伯克利國家實驗室的科學家 Archana Raja 表示。
研究人員想知道減少其厚度是否能在不施加極端壓力的情況下引發類似的變形。他們使用原子層沉積技術，在低於 400°C 的温度下生產出 1 到 10 奈米厚的 TiO₂ 薄膜。這些薄膜可以在硅以及包括二氧化硅和碳在內的非晶表面上形成。隨著電子產品逐漸接近納米尺度，這種超薄尺寸變得越來越重要，研究人員正在探索低於 4 奈米的晶體管設計。
關鍵的變化發生在約 3 奈米以下。在伯克利實驗室的先進光源，研究人員使用線性偏振 X 射線探測薄膜的電子結構。較厚的樣本在不同方向上吸收 X 射線的情況相似，與其對稱結構一致。然而，在 3 奈米以下，吸收變得方向依賴，顯示出與極性變形相關的各向異性。研究人員通過在分子工廠進行的二次諧波生成實驗確認了對稱性破壞。當厚度降至三奈米以下時，SHG 信號突然增強，提供了結構變化的另一個特徵。
「我們正在直接測量晶格變形，因為在結構轉變過程中原子實際上是移位的。」Raja 補充道。他們還使用壓電響應力顯微鏡 (PFM)、極化-電場測量以及正向-負向-正向 (PUND) 測試來檢驗鐵電響應。這些電氣測試支持了結構變形伴隨著真正的鐵電行為的結論。這些測量結果顯示，超薄的 TiO₂ 從其正常的中心對稱結構變為變形的正交結構。隨著薄膜變得更薄，晶格變形變得更強，甚至在僅 1 奈米的厚度下仍能存活於鐵電相。
未來應用與挑戰
這一發現可能為能源高效的記憶體和邏輯電路提供另一種超薄材料的途徑。由於二氧化鈦在半導體製造中已經相當熟悉，這一發現最終可能幫助實現更高密度、更快速和更低功耗的設備，而無需完全新的製造方法。研究人員還在調查其他材料以用於低功耗計算。然而，這項技術尚未成熟。該研究展示了鐵電相及其在硅和非晶表面上的形成，但實用設備仍需進一步測試其切換可靠性、耐用性和性能。研究人員現在希望尋找其他材料，當其厚度減少至非常小的尺寸時可能會開發出有用的特性。
他們的更大目標是建立一個這類材料的資料庫，並將其與不同的設備架構匹配。該研究發表於《科學》期刊。
二氧化鈦的潛力與挑戰
這項研究揭示了二氧化鈦在原子級厚度下的潛在鐵電性，為未來的半導體技術提供了新思路。鐵電材料的特性使其在低功耗記憶體和邏輯電路中具備優勢，尤其是在電子產品日益向納米尺度發展的背景下。然而，儘管研究顯示出可行性，實用化仍需克服切換可靠性和耐用性等挑戰，這對於推動新一代高效能設備至關重要。