- 二氧化鈦在厚度降至3奈米以下時變得具鐵電性。
- 鐵電材料可在低電壓下運行，對能效存儲器有吸引力。
- 研究人員使用原子層沉積技術生產超薄TiO₂薄膜。
- 發現可能為更低功耗設備提供新途徑，但仍需進一步測試。
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) 測試了這一概念，隨後的發現令他們感到意外。這種通常不具鐵電性的材料在厚度降至 3 奈米以下時，竟然變得具備鐵電性。這一轉變與材料內部的結構變化有關。隨著 TiO₂ 薄膜的變薄，其晶格結構逐漸失真，最終打破結構的對稱性，產生可切換的電極化。鐵電相在厚度僅為 1 奈米時仍然存在，這大約是 TiO₂ 單元格大小的兩倍。
這一現象的意義在於，鐵電材料可以在外部電場作用下反轉其極化，並能在相對較低的電壓下運行，因此對於能效高的存儲器和邏輯電路具有吸引力。加州大學伯克利分校的教授、該研究的合著者 Sayeef Salahuddin 指出：「一種介電材料能在縮減至原子尺度時經歷鐵電相變化，為相變物理學及全新類別材料中的極性失真開闢了激動人心的機會。」
壓縮 TiO₂ 至原子尺度
探索TiO₂的鐵電性
隨著材料變得更薄，鐵電性通常會消失，並且將超薄鐵電材料與矽電子元件整合仍然面臨挑戰。為了探索不同的解決方案，研究人員採取了不同的路徑。他們不再縮小現有的鐵電材料，而是詢問一種通常不具鐵電性的材料是否能在足夠薄時變得具鐵電性。這一方法建立在研究團隊於 2020 年展示的 1 奈米厚的鉿氧化物薄膜直接生長於矽上的鐵電切換示範之上。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 TiO₂，這是一種在半導體技術中廣泛使用的介電材料，並且在顏料和紫外線過濾器等產品中也有應用。研究合著者、勞倫斯伯克利國家實驗室的工作科學家 Archana Raja 表示：「在大塊狀的形式中，二氧化鈦是一種普遍的介電材料，具有有趣的光物理特性，我們在從防曬霜到催化劑的各種應用中都利用這些特性。當它縮小至納米尺度時，則會出現不尋常的科學現象。」
研究人員想知道，減少其厚度是否能在不施加極大壓力的情況下觸發類似的失真。他們使用原子層沉積技術，生產了厚度從 1 到 10 奈米的 TiO₂ 薄膜，並且在低於 400°C 的温度下進行。這些薄膜可以在矽及包括二氧化硅和碳在內的非晶表面上形成。隨著電子設備接近納米尺度，這樣的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。
3 奈米的臨界點
決定性變化出現在約 3 奈米以下。在伯克利實驗室的先進光源中，研究人員使用線性極化的 X 射線探測薄膜的電子結構。較厚的樣品在不同方向上吸收 X 射線的方式相似，這與其對稱結構一致。然而，在 3 奈米以下，吸收變得與方向相關，顯示出與極性失真相關的各向異性。研究人員使用分子工廠的二次諧波產生 (SHG) 確認了對稱性破壞的現象。SHG 信號在 3 奈米以下突然增加，這提供了結構變化的另一個特徵。
Raja 補充道：「我們正在直接測量晶體的失真，因為在結構轉變過程中，原子實際上是被位移的。」他們還通過壓電響應力顯微鏡 (PFM)、極化-電場測量和正反向測量 (PUND) 測試鐵電響應。這些電氣測試支持了結構失真伴隨著真正的鐵電行為的結論。所有測量結果顯示，超薄的 TiO₂ 從其正常的中心對稱結構轉變為失真的正交晶系結構。隨著薄膜變薄，晶格失真變得更強，鐵電相在 1 奈米時依然存活。
發現鐵電材料的新途徑
潛在的應用與挑戰
這一發現可能為能效高的存儲器和邏輯電路的超薄材料提供了另一種途徑。由於 TiO₂ 已經為半導體製造所熟知，這一發現最終可能有助於實現更密集、更快速和更低功耗的設備，而無需全新製造方法。研究人員也在調查其他材料以實現低功耗計算。然而，這尚未成為一項成熟的電子技術。該研究展示了鐵電相及其在矽和非晶表面上的形成，但實際設備仍需進一步測試其切換可靠性、耐久性和性能。
研究人員現在希望尋找其他材料，當它們被縮減至非常小的尺寸時，可能會發展出有用的特性。他們的更廣泛目標是建立這類材料的庫，並將其與不同的設備架構相匹配。該研究已發表於《科學》期刊上。
二氧化鈦的鐵電性轉變對科技的影響
這項研究揭示了二氧化鈦在納米尺度下的結構變化，為鐵電材料的應用開啟了新可能性。鐵電材料在存儲器和邏輯電路中的潛力使其成為半導體技術的重要組成部分。隨著電子設備向更小型化發展，這些超薄材料的研究不僅能提高能效，還可能促進更快速的計算技術。然而，實際應用仍需考慮其可靠性和耐久性，這是未來研究的重點。