格罗宁根大学 电子显微镜图像，左图为含有大量氧原子的样品(一些用箭头表示)，右图为含有大量氧空位的样品(一些用箭头表示)
示意图显示了电容器上两种电场设置下氧原子和氧空位的运动
信用:努卡拉等人
/格罗宁根大学 厚度只有几纳米的铪基薄膜表现出非常规的铁电形式
这使得纳米尺寸的存储器或逻辑器件的构建成为可能
然而，还不清楚铁电性是如何在这种规模下发生的
由格罗宁根大学的科学家领导的一项研究显示了原子在铪基电容器中是如何运动的:迁移的氧原子(或称vaca ncies)负责观察到的电荷转换和存储
4月15日发表在《科学》杂志上的研究结果指出了新铁电材料的发展方向
铁电材料表现出自发极化，可以使用电场来反转或切换
它用于非易失性存储器或逻辑器件的构造
这些材料的一个缺点是，当晶体的尺寸减小到一定限度以下时，铁电性能就会丧失
然而，几年前，研究人员提出铪基氧化物可以在纳米尺度表现出铁电性
显微镜 2018年，格罗宁根大学功能纳米材料教授比阿特丽斯·诺赫达领导的团队证实了氧化铪的这些特殊性质
“然而，我们并不确切知道这种铁电现象是如何发生的，”她说
“我们知道这些铪基薄膜的机理是不同的
由于铁电开关是发生在原子尺度上的事情，我们决定研究这种材料的原子结构如何响应电场，既使用隆德的MAX-IV同步加速器的强大的x光源，也使用格罗宁根令人敬畏的电子显微镜
" 该大学在泽尼克高级材料研究所的电子显微镜中心安装了一台最先进的电子显微镜，2020年，该论文的合著者巴特·库伊的团队首次成功地用它对元素周期表中最轻的原子——氢——进行了成像
这是第一作者帕万·努卡拉的作品
他在格罗宁根大学担任玛丽·居里研究员，拥有电子显微镜和材料科学的背景，尤其是在这些铁电铪系统方面
氧 然而，如果制备用于原子成像的样品很棘手，那么需要在设备上原位施加电场将难度增加几个数量级
幸运的是，大约在同一时间，马吉德·艾哈迈迪(原位实验大师)加入了库伊的团队
“我们所有人都确信，如果有一个地方可以在原子尺度上原位观察到铪的转变，那就是在ZIAM电子显微镜中心
它得益于材料科学、显微技术和基础设施的独特组合，”诺赫达解释说
阿赫马迪和努卡拉开发了使用聚焦离子束设备制造铪基电子透明电容器的适当协议
“我们对两个电极之间铪锆氧化物的原子晶格进行了成像，包括轻氧原子，”努卡拉解释道
“人们认为铪中的氧原子位移会引起极化
所以任何显微镜检查都只有在氧气可以成像的情况下才有意义，而且我们有精确的工具
然后我们在电容器上施加一个外部电压，实时观察原子的变化
“这种在电子显微镜下直接成像氧原子的原位实验从未进行过
迁移 “我们观察到的一个重要特征是氧原子在运动，”努卡拉解释道
“它们被充电，并随着电极之间的电场通过铪层迁移
这种可逆的电荷传输使铁电成为可能
诺赫达补充道:“这是一个大惊喜。”
" 在单位电池内，皮米级的原子位置也有小的移动，但是从一侧到另一侧的氧迁移对器件响应的总体影响要大得多
这一发现为可用于纳米存储和逻辑器件的新材料铺平了道路
努卡拉说:“铪基铁电存储器已经投入生产，尽管其行为背后的机制尚不清楚。”
“我们现在已经开辟了通向新一代导氧、兼容硅的铁电材料的道路
" 诺赫达是格宁根认知系统和材料中心的主任，该中心为认知计算开发新材料，他可以看到新型铁电材料的有趣应用
“氧迁移比偶极转换慢得多
在可以模拟脑细胞的短期和长期记忆的记忆系统中，材料科学家目前试图用不同的材料制造混合系统来结合这两种机制
“我们现在可以用同样的材料做这件事
通过控制氧的运动，我们可以创造中间状态，就像你在神经元中发现的那样
" 缺陷 努卡拉现在是印度科学研究所的助理教授，他也对探索这种材料的压电或机电特性感兴趣
“所有传统的铁电体也是压电的
这些新的无毒、对硅友好的铁电体怎么样？这里有机会探索它们在微机电系统中的潜力
" 最终，这种新材料的特性源于其缺陷
“氧只能移动，因为晶体结构中有氧空位，”努卡拉说
“事实上，你也可以描述一下这些空缺的迁移情况
这些结构缺陷是铁电行为的关键，并且通常赋予材料新的性质
"
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