Японські дослідники з Інституту науки у Токіо змогли створити наноплівку з рекордно високим вмістом скандію у сплаві з нітридом галію та нітридом алюмінію, відкриваючи шлях до розробки малопотужних пристроїв збереження інформації. 

Окрім ефективного зберігання інформації, ці плівки мають потенціал для використання у якості фільтрів перешкод зв’язку 6G та оптичних обчислень. Оскільки електронні пристрої стають все меншими у розмірах, зростає попит на технології збереження інформації, що споживатимуть менше енергії та зберігатимуть більші обсяги даних.

Для вирішення цієї проблеми було створено енергонезалежні фероелектричні запам’ятовуючі пристрої, що завдяки внутрішній електричній поляризації, зберігають інформацію без необхідності постійного джерела живлення. Це дозволяє подовжити термін роботи акумуляторів та домогтись більш складних обчислень у мобільних пристроях. 

Нітрид галію (GaN) і нітрид алюмінію (AlN), матеріали, що вже використовуються у світлодіодах, мають унікальні кристалічні структури, в яких позитивні та негативні центри заряду природно зміщені. Це зміщення створює поляризацію, що перемикається і якою можно керувати за допомогою зовнішньої напруги. 

Додавання скандію до цих структур може значно знизити робочу напругу і забезпечити роботу за надзвичайно низької потужності. Однак обмеження стабільності нітриду галію та нітриду алюмінію робило збільшення концентрації скандію доволі складним завданням.

Група японських дослідників під керівництвом професора Хіроші Фунакубо домоглась значних успіхів, синтезувавши тонкі плівки нітриду галію та нітриду алюмінію з рекордно високим вмістом скандію. Спочатку науковці використали реактивне магнетронне розпилення — метод фізичного осадження з парової фази тонких плівок на вкриті платиною та титаном кремнієві підкладки.

Завдяки ретельному настроюванню параметрів розпилення та потужності вони синтезували різноманітний спектр потрійних сплавів з різними пропорціями кожного елемента. Після цього науковці ретельно вивчили отримані плівки за допомогою рентгенівської дифракції для визначення їхньої кристалічної структури. Для вивчення структури цих наноплівок на мікрорівні була застосована електронна мікроскопія. Дослідники також провели електричні вимірювання для оцінки їхніх сегнетоелектричних та діелектричних властивостей.

Завдяки такому систематичному підходу науковці змогли скласти «фазову діаграму» системи AlN-GaN-ScN, відкривши нову область для сегнетоэлектрично активної кристалічної структури вюрциту при більш високому вмісті Sc за присутності невеликої частки галію. В результаті було досягнуто значного зниження коерцитивного поля матеріалу (E_c ) — електричного поля, необхідного для переключення поляризації. Дослідники спостерігали значне зниження Ec з 5,8 МВ/см до 1,8 МВ/см зі збільшенням співвідношення Sc. 

Досягнуте зниження напруги може призвести до зниження енергоспоживання в пристроях пам’яті, вирішуючи одну з найбільш насущних проблем в сучасній електроніці. Крім додатків пам’яті, ці нові сегнетоелектричні плівки також продемонстрували чудові п’єзоелектричні та оптоелектричні властивості.

Результати дослідження опубліковані у журналі APL Materials

Джерело: TechXplore