Инженеры из Мичиганского университета разгадали тайну долговечности вюрцитовых сегнетоэлектрических нитридов, способных выдерживать двойные поляризации без разрушения, что открывает дверь к созданию более энергоэффективных компьютеров, ультраделикатных датчиков и технологий, переключающих сигналы между разнообразными формами энергии - электрической, оптической и звуковой.
Недавно открытые сегнетоэлектрические нитриды вюрцита нашли широкое применение в различных областях электроники, включая память, радиочастотную электронику, акустоэлектронику, микроэлектромеханические системы и квантовую фотонику. Однако механизм сегнетоэлектрического переключения и компенсации заряда оставался загадкой, по словам Зетиана Ми, одного из соавторов исследования.
Стабилизация материала долгое время оставалась тайной, так же как и то, как разорванные связи способны удерживать структуру в целости.
Исследователи обнаружили, что при столкновении противоположных электрических полей в материале на мгновение разрушается кристаллическая структура, что подтверждено передовой электронной микроскопией и квантовыми расчётами.
Разорванные связи, возникающие в результате этого процесса, не ослабляют структуру, а, наоборот, обеспечивают необходимый баланс зарядов для стабильности материала, действуя как своего рода клей на уровне атомов.
У поляризованных материалов, аналогично магнитам, имеются положительные и отрицательные полюса, которые могут изменять свою полярность под воздействием электрических полей и сохранять ее даже после прекращения воздействия поля.
Исследование проведено над двумерными гексагональными полупроводниковыми структурами, сравнивая традиционные и изогнутые варианты, которые демонстрируют особую фазу с разорванными связями на поляризованном интерфейсе. Учёные долго мучились вопросом, почему материал не разламывается на местах соприкосновения зарядов с противоположной поляризацией. Атомные связи обеспечивают высокую проводимость, приводя к формированию разорванных связей при резком изменении поляризации, которые, по мнению профессора Эммануила Киупакиса, стабилизируют материал, обеспечивая необходимый заряд.
Атомная структура нитрида скандия-галлия была обнаружена при помощи электронной микроскопии, что позволило выявить, как деформация обычной гексагональной структуры происходит из-за точек соприкосновения доменов, создавая разорванные связи. Данная структура, в которой связи расположены ближе, чем обычно, была подвергнута дополнительному изучению с использованием расчетов по теории функционала плотности. Один из исследователей отметил, что это выравнивание заряда не является случайным явлением, а прямым результатом геометрии тетраэдров. Он подчеркнул, что такой механизм стабилизации является универсальным для всех тетраэдрических сегнетоэлектриков, что делает их привлекательными для использования в новых поколениях микроэлектронных устройств.
Исследовательская группа признает потенциал незакреплённых связей для создания мощной и высокочастотной электроники. Они действуют как проводящий канал для электричества, стабилизируя материал и пропуская значительно больше заряда, чем транзисторы из нитрида галлия. Регулируя электрическое поле, можно управлять этим каналом и настраивать путь тока.
Устройство, изготовленное на нанофабрике Лурье, было проанализировано в Мичиганском центре исследования материалов. Команда стремится разработать этот материал в качестве полевого транзистора для использования в высокомощной и высокочастотной электронике.