宾夕法尼亚州立大学的科学家们发现了一种方法,通过将非铁电材料与铁电材料分层来诱导铁电性质,这种现象被称为“邻近铁电”。
这一突破提供了一种新的方法来制造铁电材料,而不改变其化学成分,保持其固有特性,并有可能彻底改变数据存储,无线通信和下一代电子设备的发展。
无化学变化的新型铁电材料
铁电材料具有一种独特的性质:它们具有极化的正负电荷,类似于磁铁的南北两极。使它们与众不同的是,当施加外部电流时,它们能够逆转这种极化。一旦逆转,这些材料将保持其状态,直到引入更多的能量,使其在数据存储和无线通信技术中变得非常宝贵。
现在,宾夕法尼亚州立大学的研究人员已经找到了一种方法,通过简单地将非铁电材料与铁电材料堆叠在一起,就可以将非铁电材料转化为铁电材料。这种被称为邻近铁电的过程消除了化学修饰的需要。
这一突破引入了一种新的方法来制造铁电材料,同时保持其基本特性,这些特性通常会受到化学变化的影响。这一发现可能为下一代处理器、光电子学和量子计算的发展铺平道路。该团队的研究结果发表在1月8日的《自然》杂志上。
探索邻近铁电性
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授、该研究的主要作者Jon-Paul Maria说:“这项工作表明,我们可以在不具有这些特性的材料中产生铁电性,只需将其与铁电性材料堆叠在一起。”“所以,这两种材料必须相互交流。我们称之为邻近铁电,因为它是一种接触效应。”
近年来,德国基尔大学和宾夕法尼亚州立大学的科学家们分别开发了氮化铁电材料和氧化铁电材料的新家族,它们具有类似的性能,但结构和制备方法更简单,可以直接集成到主流半导体中,如硅,从而最大限度地提高了技术影响,科学家们说。
简化铁电制造
科学家们说,这项新工作建立在这些发现的基础上,展示了一种制造类似材料的方法,但不需要以前制造所需的化学修饰。
Paul Maria说:“在过去的几年里,学界对两个新兴的铁电体家族感到非常兴奋,它们对电子设备的未来影响非常有希望。”“这是这个过程中的又一步。这是经过100年的研究,我们第二次对我们对铁电性的不了解感到震惊。”
Paul Maria和他的团队之前开发了一种这样的铁电材料,它提供了诱人的性能,但需要权衡:镁取代氧化锌薄膜。氧化锌具有理想的性能,但它本身不是铁电的。添加镁可以让科学家们使材料具有铁电性,但会降低一些重要的性能,比如设备运行时的散热和长距离传输光的能力。
利用邻近铁电性,研究人员发现,他们现在可以通过将纯氧化锌与铁电材料(如镁取代的氧化锌薄膜)堆叠在一起,将其变成铁电性。
“想象一下,我有能力将这些层堆叠在一起,其中一个是铁电性的,另一个通常不是,但通过邻近的铁电性,”Paul Maria说。“它可以在纯净状态下表现出极化逆转。这才是真正的吸引力。”
此外,铁电层仅占堆叠总体积的3%,这意味着绝大多数是具有最理想性能的材料。科学家们说,铁电层或开关层可以放置在顶部或底部,也可以作为一个孤立的内层。
研究人员在氧化物、氮化物和氮氧化物组合系统中观察到邻近铁电性,这表明存在一种通用机制,并且该技术可以为铁电性工程和材料发现提供新的途径。
Paul Maria说,这项工作只是触及了这项技术的表面,未来的研究应该探索其他可能的成分。
对光电子学和计算的影响
这项技术对于开发下一代电子光学应用尤其有用。Paul Maria说,计算机领域的一个主要挑战是找到使用更少能源的方法,其中一个选择是用光代替电子来改变处理器之间的通信方式。
Paul Maria说:“其中很大一部分可能是下一代光电材料。”“我们的发现可能是一个候选。或者,这可能意味着其他使能材料已经已知,并且像铁电开关这样令人兴奋的功能特性只需要使用这种邻近效应来解锁。”
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