普通の材料が原子レベルの厚さに圧縮されると何が起こるのでしょうか？研究チームは二酸化チタン (TiO₂) を例にテストを行い、予想外の現象を発見しました。この通常は強誘電性を持たない材料が、厚さが3ナノメートル以下になると強誘電材料に変わることがわかりました。この変化は材料内部の構造変化に関連しています。TiO₂ 薄膜が薄くなるにつれて、その格子構造は徐々に変形し、最終的に構造の対称性が破れ、切り替え可能な電極化が生じます。強誘電相はわずか1ナノメートルの厚さまで持続し、これはTiO₂単位格子の約2倍の大きさです。
この発見は重要です。なぜなら、強誘電材料は外部電場の作用でその極性を反転させることができ、比較的低い電圧で動作するため、エネルギー効率の良いメモリやロジック回路に非常に魅力的だからです。カリフォルニア大学バークレー校の教授であり研究著者の一人であるサイーフ・サラフディンは、「通常は強誘電性を持たない誘電材料が原子レベルに縮小されると強誘電相変化を経験することは、相変化物理学と極性変形に対する刺激的な機会を提供します。」と述べています。
TiO₂を原子レベルに圧縮する過程では、強誘電性は通常、材料が薄くなるにつれて消失しますが、超薄強誘電材料をシリコン電子製品と統合することは依然として課題です。研究者たちは異なる解決策を探求するために、異なるアプローチを採用しました。彼らは既存の強誘電材料を縮小するのではなく、通常は強誘電性を持たない材料が十分に薄くなると強誘電材料に変わるかどうかという問題を提起しました。このアプローチは、研究チームが2020年にシリコン上に直接成長させた1ナノメートル厚のハフニウム酸化物薄膜における強誘電切り替え現象を示したことに基づいています。
この結果は、研究者たちが原子レベルの厚さで有用な強誘電特性を示す可能性のある他の材料を探すきっかけとなりました。彼らは、半導体技術で広く使用されている誘電材料であり、顔料や紫外線フィルターなどの製品にも見られる二酸化チタンを選びました。「バルク相では、二酸化チタンは普遍的な誘電材料であり、興味深い光物理特性を持っています。私たちは日焼け止めから触媒まで、さまざまな分野でそれを利用しています。この異常な科学はナノスケールで発生し、その時に強誘電材料に変わりました。」と、研究チームの一員であるローレンス・バークレー国立研究所の科学者アーチャナ・ラジャは述べています。
研究者たちは、厚さを減少させることで極端な圧力をかけずに類似の変形を引き起こせるかどうかを知りたがっていました。彼らは原子層堆積技術を使用して、400°C未満の温度で1から10ナノメートル厚のTiO₂薄膜を製造しました。これらの薄膜は、シリコンや二酸化ケイ素、炭素を含む非晶質表面上に形成できます。電子製品がナノスケールに近づくにつれて、この超薄サイズはますます重要になり、研究者たちは4ナノメートル未満のトランジスタ設計を探求しています。
3ナノメートルの臨界点が構造変化を引き起こす
重要な変化は約3ナノメートル以下で発生します。バークレー研究所の先進光源で、研究者たちは線形偏光X線を使用して薄膜の電子構造を探査しました。厚いサンプルは異なる方向でX線を吸収する様子が似ており、その対称構造と一致しています。しかし、3ナノメートル以下では、吸収が方向依存的になり、極性変形に関連する異方性を示します。研究者たちは分子工場で行った二次高調波生成実験を通じて対称性の破壊を確認しました。厚さが3ナノメートル以下に減少すると、SHG信号が突然増強され、構造変化の別の特徴を提供します。
「私たちは、構造変化の過程で原子が実際に移動しているため、格子変形を直接測定しています。」とラジャは付け加えました。彼らはまた、圧電応答力顕微鏡 (PFM)、極化-電場測定、正-負-正 (PUND) テストを使用して強誘電応答を検証しました。これらの電気的テストは、構造変形が真の強誘電挙動を伴うという結論を支持しています。これらの測定結果は、超薄のTiO₂がその正常な中心対称構造から変形した正方晶構造に変わることを示しています。薄膜が薄くなるにつれて、格子変形は強くなり、わずか1ナノメートルの厚さでも強誘電相に存続します。
この発見は、エネルギー効率の良いメモリやロジック回路に対する別の超薄材料の道を提供する可能性があります。二酸化チタンは半導体製造で非常に馴染みのある材料であるため、この発見は最終的に新しい製造方法を必要とせずに、より高密度で、より高速、かつ低消費電力のデバイスの実現を助けるかもしれません。研究者たちはまた、低消費電力計算に使用するための他の材料を調査しています。しかし、この技術はまだ成熟していません。この研究は、強誘電相とそのシリコンおよび非晶質表面での形成を示していますが、実用デバイスはその切り替えの信頼性、耐久性、性能をさらにテストする必要があります。研究者たちは、厚さが非常に小さなサイズに減少したときに有用な特性が開発される可能性のある他の材料を探すことを希望しています。
彼らのより大きな目標は、このような材料のデータベースを構築し、それを異なるデバイスアーキテクチャとマッチさせることです。この研究は『サイエンス』誌に発表されました。