Ученые открыли уникальное свойство диоксида титана на атомарном уровне

Он превращается в сегнетоэлектрик

Исследователи выявили неожиданное свойство диоксида титана (TiO₂): материал, который обычно не является сегнетоэлектриком, начинает проявлять такие характеристики при толщине пленки примерно 3 нм и менее. При этом эффект сохраняется даже на уровне 1 нм. Это открытие может содействовать разработке сверхкомпактной энергонезависимой памяти и энергоэффективной логики. Работа была выполнена учеными из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Сегнетоэлектрики имеют свою собственную электрическую поляризацию, направление которой можно изменять с помощью внешнего поля. Это позволяет использовать два стабильных состояния материала для хранения информации без необходимости постоянного питания. Обычно при значительном уменьшении толщины такие свойства, напротив, ослабевают или исчезают.

Ученые решили исследовать противоположный сценарий: может ли обычный диэлектрик получить сегнетоэлектрические свойства именно из-за уменьшения толщины. Для этого они создали пленки TiO₂ методом атомно-слоевого осаждения с толщиной от 1 до 10 нм. Материал удалось наносить непосредственно на кремний, диоксид кремния и углеродные поверхности при температуре ниже 400°C.

Неожиданное преобразование начиналось примерно на уровне 3 нм. При уменьшении толщины кристаллическая решетка TiO₂ все больше искажалась, симметрия нарушалась, а атомы смещались. В результате возникала переключаемая электрическая поляризация — один из ключевых признаков сегнетоэлектрического состояния.

Ученые подтвердили эффект сразу несколькими методами, включая анализ взаимодействия пленок с поляризованным рентгеновским излучением, пьезоотклик и измерение поляризации.

Наиболее интересным является то, что чем тоньше становилась пленка, тем сильнее проявлялось структурное искажение. Сегнетоэлектрическое состояние сохранялось даже при толщине около 1 нм.

Для микроэлектроники это может быть особенно значимым. Сегнетоэлектрические элементы способны переключаться при относительно низких напряжениях и сохранять записанное состояние без постоянного питания. Эти свойства рассматриваются как основа для энергонезависимой памяти и низкопотребляющей вычислительной логики.

Еще одно преимущество TiO₂ в том, что это давно известный и широко используемый материал, хорошо изученный промышленностью. Его потенциальная совместимость с существующими кремниевыми технологиями может упростить дальнейшую интеграцию.

Тем не менее, до появления процессоров или памяти на основе таких пленок еще далеко. Исследователям предстоит выяснить, насколько долговечен эффект, сколько циклов переключения выдерживает материал и сможет ли он сохранять свои свойства в реальных транзисторах и ячейках памяти.

Это открытие также интересно с более фундаментальной точки зрения: оказывается, материал может значительно изменять электрические свойства при переходе к почти атомарной толщине. Ученые намерены использовать этот принцип для поиска других веществ, которые могут приобретать необычные свойства при значительном уменьшении размеров.