铁电无处不在？

Ferroelectrics everywhere？

新型的铁电材料家族为改进信息和能量存储成为可能
New family of ferroelectric materials raises possibilities for improved information and energy storage

日期：2021年8月31日

来源：宾夕法尼亚州立大学

摘要：宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员在镁取代的氧化锌中证明了铁电性，这意味将会出现一种新的材料系列，可以改善数字信息存储并使用更少的能源。

宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员在镁取代的氧化锌中证明了铁电性，这意味将会出现一种新的材料系列，可以改善数字信息存储并使用更少的能源。

制造铁电镁取代氧化锌薄膜的部分过程包括：（左）显示从金属源溅射沉积薄膜的图像；（中心）薄膜电容器的铁电磁滞回线，在零场下显示出两种剩余极化状态；（右）原子力显微镜图像显示纳米尺度的光滑表面和非常细粒度和纤维纹理的微观结构。图片来源：宾夕法尼亚州立大学材料研究所

铁电材料是自发极化的，因为材料中的负电荷和正电荷趋向于相反的两侧，并且在施加外部电场时会重新定向。它们会受到物理力的影响，这就是为什么它们可用于按钮式点火器，例如燃气烤架中的按钮式点火器。它们还可以用于数据存储和记忆，因为它们在没有额外功率的情况下保持一种极化状态，因此是低能量数字存储解决方案。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授 Jon-Paul Maria 说：“我们已经确定了一个新的材料系列，我们可以用这些材料制造微型电容器，我们可以设置它们的极化方向，使它们的表面电荷为正或负。该设置是非易失性的，这意味着我们可以将电容器设置为正值，它保持正值，我们可以将其设置为负值，它保持负值。然后我们可以回来确定我们如何设置该电容器，例如，一个小时前。”

这种能力可以实现一种不像其他形式那样耗电的数字存储形式。“这种类型的存储不需要额外的能源，”玛丽亚说：“这很重要，因为我们今天使用的许多计算机存储器需要额外的电力来维持信息，而我们在信息上使用了大量的美国能源预算。”

新材料由镁取代的氧化锌薄膜制成。该薄膜是通过溅射沉积生长的，在这个过程中，氩离子被加速到目标材料，以足够高的能量撞击它，使原子脱离含有镁和锌的目标。游离的镁和锌原子在气相中移动，直到它们与氧气反应并聚集在涂有铂的氧化铝基材上并形成薄膜。

研究人员研究了镁取代氧化锌作为增加氧化锌带隙的一种方法，这是一种对制造半导体很重要的关键材料特性。然而，从未探索过该材料的铁电性。尽管如此，研究人员认为，根据埃文普大学教授、陶瓷科学与工程 Steward S. Flaschen 教授 Maria 和 Susan Trolier-McKinstry 提出的“铁电无处不在”的想法，该材料可以制成铁电材料。作者在纸上。

“一般来说，铁电通常出现在从结构和化学角度来看很复杂的矿物中，”玛丽亚说：“我们的团队大约在两年前提出了这个想法，还有其他更简单的晶体可以识别出这种有用的现象，因为有一些线索让我们提出了这种可能性。说‘铁电体无处不在’有点像玩文字游戏，但它捕捉到了我们周围有给我们提示的材料的想法，而我们很长一段时间都忽略了这些提示。”

Trolier-McKinstry 的研究生涯主要集中在铁电体上，包括寻找具有不同特性的更好的铁电材料。她指出，德国基尔大学于 2019 年在氮化物中发现了这种令人惊讶的铁电材料中的第一种，但她和玛丽亚在氧化物中表现出类似的行为。

Trolier-McKinstry 和 Maria 的小组遵循的过程的一部分是开发品质因数，这是一个用于科学分析的数量，例如分析化学和材料研究，用于表征设备、材料或方法相对于替代品的性能。

Trolier-McKinstry 说：“当我们研究材料的任何应用时，我们通常会设计一个品质因数，说明我们需要对任何给定应用进行何种材料特性组合才能使其尽可能有效。” “而这个新的铁电体系列，它为我们提供了这些品质因数的全新可能性。它对过去我们没有很好的材料集的应用非常有吸引力，因此这种新材料的开发往往会激发新的应用。 ”

镁取代氧化锌薄膜的另一个好处是它们可以在比其他铁电材料低得多的温度下沉积。

“绝大多数电子材料都是在高温的帮助下制备的，高温意味着 300 到 1000 摄氏度（572 到 1835 华氏度），”玛丽亚说：“每当你在高温下制造材料时，都会遇到很多困难。它们往往是工程上的困难，但尽管如此，它们还是让一切变得更具挑战性。考虑到每个电容器都需要两个电触点——如果我在高温下准备我的铁电层”至少在这些接触中的一个上，在某些时候会发生不需要的化学反应。因此，当你可以在低温下制造东西时，你可以更容易地整合它们。”

新材料的下一步是将它们制成大约 10 纳米厚、横向尺寸为 20 至 30 纳米的电容器，这是一项艰巨的工程挑战。研究人员需要创造一种方法来控制材料的生长，这样就不会出现材料缺陷等问题。Trolier-McKinstry 表示，解决这些问题将是这些材料是否可用于新技术的关键——带有耗能少得多的芯片的手机，可以持续运行一周或更长时间。

“在开发新材料时，你必须找出它们是如何失效的，然后了解如何减轻这些失效机制，” Trolier-McKinstry 说：“对于每一个应用程序，你都需要决定哪些是基本属性，以及它们将如何随着时间的推移而发展。在你对此进行一些测量之前，你不知道将面临哪些重大挑战，就这种材料是否在五年内最终出现在您的手机中而言，可靠性和可制造性是巨大的。”

来源：贤集网，题目略有改动

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