Текст уведомления здесь

Молодые физики из МФТИ нашли материал для памяти будущего

Состояние сегнетоэлектрической памяти зависит от перестройки кристаллической решетки материала, из которого она состоит.
Добавить в закладки
Комментарии

Физики из МФТИ детально описали процесс переключения электрической поляризации оксида гафния. Именно на базе этого физического процесса сейчас активно разрабатывается память для компьютерных устройств нового поколения. Соответствующая статья опубликована в ACS Applied Materials and Interfaces.

В настоящий момент по всему миру ведутся поиски подходящих сегнетоэлектрических материалов для компьютерной памяти нового поколения. Сегнетоэлектриками называют вещества, в которых в определенном интервале температур возникает спонтанная электрическая поляризация. Более того, при приложении к таким материалам внешнего электрического поля ориентация этой поляризации может быть произвольно изменена.

Особенность, делающая сегнетоэлектрики перспективным накопителем данных, — тот факт, что даже без внешнего поля поляризация в них сохраняется продолжительное время. Это похоже на то, как если бы магниты (ферромагнетики) оставались намагниченными даже после отключения магнитного поля. Такое свойство необходимо для энергонезависимых постоянных запоминающих устройств.

Авторы новой работы изучили вещество со структурной формулой Hf0,5Zr0,5O2. Подобный оксид гафния с добавлением циркония имеет целый ряд плюсов — например, легко «стыкуется» с уже существующими современными литографическими методами. Минусом этого материала до сих являлось отсутствие внятного представления о том, что именно в нем происходит при переполяризации. Причины этого в том, что свои сегнетооэлектрические свойства оксид гафния проявляет только в очень тонких (от 5 до 20 нанометров) пленках, получить которые можно, например, методом атомно-слоевого осаждения. Однако детально изучить происходящие в столь тонких слоях процессы сложно — слишком малы размеры образцов.

Исследователям удалось изучить микроскопическую структуру оксида гафния непосредственно внутри плоского конденсатора (по сути, прототипа будущей запоминающей ячейки) при помощи разновидности атомно-силового микроскопа — прибора, который «ощупывал» образец посредством особо тонкой и острой иглы. С ее же помощью считывали и состояние запоминающей ячейки (ее поляризацию).

Экспериментальная ячейка. Изображение: Елена Хавина / пресс-служба МФТИ

Экспериментальная ячейка. Изображение: Елена Хавина / пресс-служба МФТИ

Сама же ячейка состояла из четырех слоев: проводника (TiN), изолятора (SiO3_), оксида гафния и затем вновь проводника (TiN). Весь этот «сандвич» вместе образовывал плоский электрический конденсатор. Передвигая вдоль поверхности материала острую иглу и подавая электрическое напряжение на обкладки конденсатора, исследователи получали данные как о рельефе поверхности (в этой части метод напоминал атомно-силовую микроскопию), так и о распределении поляризации в материале.

Оказалось, что у оксида гафния есть домены — микроскопические участки сегнетоэлектрика с определенной поляризацией, отличающиеся по ее значениям. Игла микроскопа, попадая на такие участки, по-разному отклонялась из-за изменений электрического поля, что позволяло четко выявить границы доменов с точностью до нескольких нанометров.

Новое исследование также позволило подтвердить ранее выдвигавшуюся гипотезу о перестройке кристаллической решетки оксида гафния под действием электрического поля. При перезарядке конденсатора элементарные ячейки кристаллической решетки из скошенных прямоугольных призм (так называемая моноклинная сингония) становятся прямоугольными параллелепипедами (ромбическая сингония), и именно такие ячейки позволяли данному материалу становиться сегнетоэлектриком. Наличие подобных изменений предполагалось рядом ученых ранее, но для подтверждения этой гипотезы физикам недоставало экспериментальных данных, появившихся сейчас.

Работа московских специалистов стала шагом вперед на пути к осознанному проектированию будущих устройств на базе оксида гафния. Зная свойства материала и чем они обусловлены, инженеры смогут оптимизировать ячейки памяти, делая их более компактными, технологичными и надежными.

Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

В гексабориде самария обнаружили не имеющий теоретического объяснения феномен

Российские и украинские ученые выявили в этом перспективном материале неожиданный эффект подавления.
Добавить в закладки
Комментарии

Физикам из МФТИ, Института общей физики РАН, НИУ ВШЭ и Института проблем материаловедения НАНУ (Украина) впервые удалось зарегистрировать необычный магнитный резонанс в гексабориде самария — материале, имеющем большие перспективы для спиновой электроники. Соответствующая статья опубликована в Scientific Reports.

Топологический изолятор — это материал, который в своей толще является изолятором (или полупроводником), а вот его поверхность при этом хорошо проводит электрический ток. Один из самых интересных топологических изоляторов — это гексаборид самария SmB6. При комнатной температуре он проводит ток, как металл, но ниже температуры 50 K (-223 по Цельсию) гексаборид самария превращается в полупроводник со сравнительно узкой запрещенной зоной — областью значений энергии, которыми не может обладать электрон в кристалле, — шириной всего двадцать миллиэлектронвольт (в обычных полупроводниках ширина запрещенной зоны в сотни раз больше). Чем шире запрещенная зона и чем ниже температура, тем меньше в полупроводнике свободных электронов и тем хуже он проводит ток.

Однако при приближении к абсолютному нулю (-273,16 по Цельсию) удельное сопротивление гексаборида самария постепенно перестает зависеть от температуры. Коэффициент Зеебека, определяемый соотношением термоэлектрического напряжения и разницы температур между горячим и холодным концами образца, при этом стремится к нулю. Такое резкое изменение свойств гексаборида самария наблюдается при температуре порядка пяти градусов Кельвина. Подобное поведение нетипично ни для металлов, ни для обычных полупроводников.

В настоящее время физики уверены, что необычное поведение SmB6 определяют поверхностные, топологические свойства материала. Доказать существование топологических состояний достаточно просто: поверхностные электроны, определяющие проводимость материала при наличии в нем топологических состояний, устойчивы к немагнитным дефектам поверхности и «разрушаются» магнитными примесями. До сих пор считалось, что в гексабориде самария без каких-либо посторонних примесей магнитные центры отсутствуют. [ ... ]

Читать полностью

Течь в Марианской впадине оказалась вчетверо больше, чем ожидалось

Благодаря новым сейсмическим данным геологи выяснили, что за год из впадины утекает в недра Земли свыше ста тонн воды на метр разлома

Марианская впадина находится на  стыке двух тектонических плит — Тихоокеанской и Филиппинской. Тихоокеанская плита медленно движется в сторону Азии и подныривает под Филиппинскую, уходя в глубь низлежащего слоя, мантии. Вместе с собой плита уносит и воду, но точное количество утекающей в глубь планеты жидкости оставалось неясным. Работа исследователей, сотрудников университета штата Вашингтон и университета Стони-Брук в Нью-Йорке, позволила уточнить объемы «марианской течи».
Добавить в закладки
Комментарии

Чтобы получить картину происходящего на глубинах в десятки километров ниже самой глубокой впадины, ученые расставили на дне океана 19 сейсмометров, а еще семь аналогичных устройств разместили на островах; все вместе они регистрировали сейсмические волны, распространяющиеся внутри нашей планеты.

Сейсмические волны возникают как при землетрясениях, так и в ходе различных фоновых процессов, не сопровождающихся значимыми подземными толчками. Наблюдение за их распространением является стандартным методом изучения внутреннего строения планеты уже больше ста лет: именно благодаря отражению волн, расходящихся от землетрясения, в 1897 году немецкий исследователь Иоганн Вихерт обнаружил ядро Земли, а в наши дни «простукивание и прослушивание» недр повсеместно используется для поиска нефти. Точно так же теперь геологи смогли получить гораздо более качественные данные о строении глубинных слоев и точнее оценить содержание воды в увлекаемых внутрь мантии частях коры.

Схема расположения тектонических плит. Как правило, на месте стыков формируются либо горы, либо впадины; также в этих местах часто возникают вулканыUSGS, Bolelav1 / Wikimedia commons

Как оказалось, прошлые исследования давали число примерно в четыре раза меньшее, чем показало новое исследование. [ ... ]

Читать полностью

Висмут довел волоконный лазер до нового диапазона

Добавка этого металла в оптическое волокно позволила создать компактный и эффективный лазер, работающий в средней части инфракрасного диапазона.
Добавить в закладки
Комментарии

Исследователи из Научного центра волоконной оптики РАН и Института химии высокочистых веществ РАН создали новый тип оптического волокна с добавкой висмута. В итоге с его помощью вместо типичного для волоконных лазеров рабочего диапазона ученые смогли добиться излучения с длиной волны 1,6−1,8 микрометра. Соответствующая статья опубликована в IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.

Обычно волоконными лазерами называют такие, в которых активной средой, а часто и резонатором является оптоволокно. Отличия его от иных лазеров как раз и определяются характеристиками такого волокна: у него высокие параметры качества излучения, неплохой КПД и сравнительно высокая мощность при весьма умеренных габаритах. Как правило, активной средой (где генерируется вынужденное излучение) служит оптоволокно с различными добавками химических элементов — преимущественно редкоземельных металлов. Обычно длина волны генерируемого в таких лазерах излучения — 2—10 микрометров. В новой работе в оптоволокно на базе оксида германия добавили висмут. После изучения свойств лазера с подобной активной средой выяснилось, что он создает излучение в спектральном диапазоне, недоступном ранее известным волоконным лазерам на редкоземельных ионах.

В новом оптоволокне ион висмута встраивают вблизи дефекта сетки стекла, и он функционирует там как активный центр. Висмут при нормальных условиях — блестящий серебристый металл с не совсем обычным розоватым отблеском. При добавке этого элемента оптоволокно стало генерировать заметно более короткие волны, чем у аналогичных волокон без висмута. Однако они все еще лежат в инфракрасном диапазоне (в ближней его части), из-за чего излучение невидимо для человеческого глаза. Подобное излучение востребовано в системах оптоволоконной связи и целом ряде других приложений. Чем короче длина волны, используемой в системе связи, тем выше ее пропускная способность: за единицу времени можно передать больше «пакетов» информации.

Мощность экспериментального лазера не очень велика — всего два ватта, однако КПД выше 30 процентов, что немало с учетом того, что это первый лазер такого типа в мире и работы по повышению его КПД пока не проводились — целью создания новинки было изучение самой возможности использования висмута в волоконных лазерах. Ученые считают, что его характеристики можно улучшить, совершенствуя технологию изготовления.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы