미국 에너지부 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 과학자 팀은 새로운 반도체 응용 분야에 사용할 수 있는 산화 하프늄(하프늄)의 거동을 연구했습니다. 반도체 응용 분야에서 하프늄의 사용 가능성을 연구하는 과학자들은 하프늄의 거동이 주변 대기에 의해 영향을 받을 수 있다는 사실을 발견했습니다. 그들의 발견은 미래의 메모리 기술에 대한 좋은 시사점을 제공합니다.
ORNL의 DOE 나노재료 과학 센터에서 초고진공 원자력 현미경을 사용하여 연구원들은 고급 반도체 개발에 중요한 재료인 지르코늄-하프늄 산화물에서 독특한 환경 유도 강유전성 상전이를 발견했습니다. 출처: Arthur Baddorf/ORNL, 에너지부
하프늄과 같은 재료는 강유전성이므로 전력이 없어도 장기간 데이터를 저장할 수 있습니다. 이러한 특성은 이러한 물질이 새로운 비휘발성 메모리 기술 개발의 핵심이 될 수 있음을 시사합니다. 혁신적인 비휘발성 메모리 애플리케이션은 데이터를 단기 메모리로 지속적으로 전송하면서 발생하는 열을 완화하여 더 크고 빠른 컴퓨터 시스템을 만들 수 있는 길을 열어줄 것입니다.
하프니아의 전기적 동작 이해
과학자들은 대기가 외부 전기장에 반응하여 내부 전하 배열을 변경하는 하프니아의 능력에 영향을 미치는지 여부를 조사했습니다. 목적은 Xiafu 연구에서 발견된 일련의 특이한 현상을 설명하는 것입니다. 연구팀의 연구 결과는 최근 Nature Materials 저널에 게재되었습니다.
ORNL 나노재료 과학 센터 연구원인 Kyle Kelley는 "우리는 마침내 이러한 시스템의 강유전성 거동이 표면과 결합되어 주변 대기 환경을 변화시킴으로써 조정될 수 있다는 것을 보여주었습니다. 지금까지 이러한 시스템이 어떻게 작동하는지에 대한 추측은 우리 그룹과 전 세계 여러 그룹의 수많은 관찰을 기반으로 한 가설이었습니다."라고 말했습니다. CNMS는 에너지부 과학실의 사용자 시설입니다. Kelly는 실험을 수행하고 프로젝트를 구상한 녹스빌 소재 테네시 대학의 Sergey Kalinin과 협력했습니다.
표면층 및 메모리 응용
메모리 응용 분야에 사용되는 재료에는 정보를 저장하는 재료의 능력에 영향을 미치는 표면 또는 데드 레이어가 있는 경우가 많습니다. 물질이 단지 몇 나노미터 두께로 줄어들면 데드 레이어의 영향은 그 기능적 특성을 완전히 방해할 만큼 심각해집니다. 하프니아에서 표면층의 거동을 조정함으로써 재료가 반강유전성 상태에서 강유전성 상태로 전환될 수 있습니다.
"궁극적으로 이러한 발견은 반도체 산업에서 이 물질의 중요성을 고려할 때 시급히 필요한 하프늄의 예측 모델링 및 장치 엔지니어링을 위한 길을 제공합니다"라고 Kelley는 말했습니다.
예측 모델링을 통해 과학자들은 이전 연구를 활용하여 알려지지 않은 시스템의 속성과 동작을 추정할 수 있습니다. Kelley와 Kalinin이 주도한 연구는 세라믹 소재인 지르코니아와 혼합된 하프니아 합금에 중점을 두었습니다. 그러나 향후 연구에서는 이러한 발견을 사용하여 이산화 하프늄이 다른 원소와 합금될 때 어떻게 작용하는지 예측할 수 있습니다.
연구 방법 및 협업
이 연구는 CNMS가 제공할 수 있는 방법인 글러브 박스 내부 및 대기 조건 하의 원자간력 현미경뿐만 아니라 초고진공 원자간력 현미경에 의존했습니다.
Kelly는 "CNMS의 고유한 기능을 사용하여 이러한 유형의 작업을 수행할 수 있습니다."라고 말했습니다. "우리는 기본적으로 주변 대기에서 초고진공까지 환경을 바꿉니다. 즉, 대기 중의 모든 가스를 무시할 정도로 제거한 다음 그러한 반응을 측정하는 것이 매우 어렵습니다."
Carnegie Mellon University의 재료 특성화 시설의 팀원은 전자 현미경 특성화를 제공하여 연구에서 중요한 역할을 했으며, University of Virginia의 공동 작업자는 재료 개발 및 최적화 노력을 주도했습니다.
ORNL의 Liu Yongtao(CNMS 연구원)는 환경 압전 반응력 현미경 측정을 수행했습니다. 이 연구 프로젝트를 뒷받침하는 모델 이론은 Kalinin과 우크라이나 국립과학원 물리학 연구소의 Anna Morozovska 간의 장기간 공동 연구의 결과입니다.
팀 통찰력
Kalinin은 "나는 거의 20년 동안 강유전성 물리학 및 화학 분야에서 키예프의 동료들과 협력해 왔습니다"라고 말했습니다. "그들은 거의 그 나라의 전쟁 최전선에서 이 논문에 대한 많은 작업을 수행했습니다. 이 사람들은 우리 대부분이 상상조차 할 수 없는 조건에서 과학적 연구를 수행해 왔습니다."
연구팀은 이번 발견이 제어된 표면 및 계면 전기화학의 역할, 즉 전기 반응과 화학 반응 사이의 관계를 구체적으로 탐구하는 새로운 연구에 영감을 주기를 바라고 있습니다.