通常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) を用いてこの概念をテストし、その結果は彼らを驚かせました。この通常は強誘電性を持たない材料が、厚さが3ナノメートル未満になると、なんと強誘電性を持つようになりました。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歪み、最終的には構造の対称性が破れ、切り替え可能な電極化が生じます。強誘電相は厚さがわずか1ナノメートルの時点でも存在し、これはTiO₂の単位格子サイズの約2倍です。
この現象の意義は、強誘電材料が外部電場の作用下でその極性を反転させ、比較的低い電圧で動作できるため、高エネルギー効率のストレージやロジック回路にとって魅力的であることです。カリフォルニア大学バークレー校の教授であり、この研究の共著者であるSayeef Salahuddinは次のように指摘しています。「ある誘電材料が原子スケールに縮小されるときに強誘電相変化を経験することは、相変化物理学や新しい種類の材料における極性歪みのエキサイティングな機会を開くものです。」
二酸化チタンの原子スケールにおける強誘電性の変化
TiO₂を原子スケールに圧縮する
材料が薄くなるにつれて、強誘電性は通常消失し、超薄強誘電材料をシリコン電子部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るために異なるアプローチを取りました。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性を持つことができるかどうかを問いかけました。このアプローチは、研究チームが2020年に示した1ナノメートルの厚さのハフニウム酸化物薄膜がシリコン上に直接成長し、強誘電切り替えを実証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挙動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TiO₂を選びました。これ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応用されています。研究の共著者であり、ローレンスバークレー国立研究所の研究科学者であるArchana Rajaは次のように述べています。「塊状の形状では、二酸化チタンは一般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に至るまで、さまざまな応用でこれらの特性を利用しています。ナノスケールに縮小されると、異常な科学現象が現れます。」
研究者たちは、その厚さを減少させることで、極端な圧力をかけずに類似の歪みを引き起こすことができ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、1ナノメートルから10ナノメートルの厚さのTiO₂薄膜を生成し、400°C未満の温度で行いました。これらの薄膜は、シリコンや二酸化ケイ素、炭素を含むアモルファス表面上に形成できます。電子機器がナノスケールに近づくにつれて、このような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。
研究はTiO₂の3ナノメートル未満での構造変化を示す
3ナノメートルの臨界点
決定的な変化は約3ナノメートル未満で発生します。バークレーラボの先進光源で、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線を吸収する方法が似ており、これはその対称構造と一致しています。しかし、3ナノメートル未満では、吸収が方向に依存し、極性歪みに関連する異方性を示します。研究者たちは分子工場の二次高調波生成 (SHG) を使用して対称性破壊の現象を確認しました。SHG信号は3ナノメートル未満で突然増加し、構造変化の別の特徴を提供します。
Rajaは次のように補足しました。「私たちは結晶の歪みを直接測定しています。なぜなら、構造転換の過程で原子が実際に移動しているからです。」彼らはまた、圧電応答力顕微鏡 (PFM)、極化-電場測定、正反向測定 (PUND) を使用して強誘電応答をテストしました。これらの電気的テストは、構造歪みが真の強誘電挙動を伴うという結論を支持しました。すべての測定結果は、超薄のTiO₂がその通常の中心対称構造から歪んだ正方晶系構造に変化することを示しています。薄膜が薄くなるにつれて、格子歪みは強くなり、強誘電相は1ナノメートルの時点でも生き残っています。
この発見は、高効率なストレージとロジック回路の超薄型材料に新たな道を提供する可能性があります。TiO₂は半導体製造において既に知られているため、この発見は最終的に、全く新しい製造方法を必要とせずに、より高密度で高速、かつ低消費電力のデバイスの実現に寄与する可能性があります。研究者たちは、低消費電力計算を実現するために他の材料も調査しています。しかし、これはまだ成熟した電子技術には至っていません。この研究は、強誘電相とそのシリコンおよび非晶質表面上での形成を示していますが、実際のデバイスは切り替えの信頼性、耐久性、性能をさらにテストする必要があります。
研究者たちは現在、非常に小さなサイズに縮小されたときに有用な特性を発展させる可能性のある他の材料を探すことを希望しています。彼らのより広範な目標は、このような材料のライブラリを構築し、それを異なるデバイスアーキテクチャと組み合わせることです。この研究は『サイエンス』誌に発表されました。