Исследователи из США выяснили, что сверхтонкие пленки диоксида титана толщиной менее трех нанометров неожиданно приобретают сегнетоэлектрические свойства. Работа опубликована в журнале Science и может открыть путь к созданию более экономичных микросхем памяти и логических процессоров.
Диоксид титана известен практически каждому. Его используют в солнцезащитных кремах, красках, пластиках, бумаге и даже пищевой промышленности. Обычно этот материал считается хорошим диэлектриком — он не обладает собственной электрической поляризацией. Однако ученые обнаружили, что при уменьшении толщины материала до менее трех нанометров ситуация меняется кардинально.
Материал начинает проявлять сегнетоэлектричество — способность самостоятельно формировать внутреннюю электрическую поляризацию, которую можно переключать внешним электрическим полем. Это свойство сегодня считается одним из самых перспективных для создания памяти и вычислительных устройств нового поколения.
Современные микросхемы становятся все компактнее, но одновременно сталкиваются с серьезной проблемой — энергопотреблением. Обычные транзисторы требуют все больше энергии для переключения состояний, а высокая плотность компонентов приводит к перегреву. Сегнетоэлектрические материалы способны выполнять те же операции при значительно меньшем напряжении.
Команда выращивала пленки диоксида титана толщиной от одного до 10 нанометров методом атомно-слоевого осаждения. Затем образцы исследовали сразу несколькими независимыми способами. На синхротроне Advanced Light Source ученые обнаружили, что при толщине менее трех нанометров кристалл перестает быть полностью симметричным. Такое нарушение симметрии считается одним из главных признаков возникновения сегнетоэлектричества.
Дополнительные оптические эксперименты с использованием генерации второй гармоники показали резкое усиление сигнала именно у самых тонких пленок. Это означает, что атомы действительно немного смещаются относительно друг друга, формируя новую кристаллическую структуру с собственной электрической поляризацией. По словам исследователей, оба независимых метода дали одинаковый результат.
Большинство известных сегнетоэлектриков ведут себя противоположным образом. Когда их делают слишком тонкими, они теряют свои необычные свойства. Диоксид титана оказался исключением. Именно уменьшение толщины заставило материал перейти в совершенно новое состояние.
Авторы работы считают, что открытие поможет создать новое поколение материалов для микроэлектроники. В будущем подобные пленки пригодятся создании:
энергоэффективной оперативной памяти;
микросхемах хранения данных;
логических элементах процессоров;
специализированных чипах для искусственного интеллекта.
Особенно важным это может стать для центров обработки данных, где снижение энергопотребления даже на несколько процентов позволяет экономить огромные объемы электроэнергии. Сейчас исследователи планируют расширить поиск подобных эффектов и составить библиотеку материалов, которые приобретают сегнетоэлектрические свойства только при уменьшении толщины до нескольких атомных слоев.
Также недавно была улучшена прочность токопроводящих сплавов алюминия.