Tanki filmovi feroelektrika kao odgovor na jednu drugu eksponencijalu

Količine podataka koje stvaramo i spremamo eksponencijalno rastu, a kao što smo naučili u sadašnjoj situaciji, eksponencijalni rast zadaje glavobolje. Kako bi mogli pohraniti i obraditi tolike količine podataka, potrebna nam je sve veća količina električne energije. Potražnja za električnom energijom stoga neprestano raste, a posebno za potrebe komunikacijske tehnologije kao najbrže rastućeg udjela [1].

Tom problemu se može pristupiti s dvije strane: povećanjem proizvodnje električne energije ili smanjenjem potrošnje. Svaka proizvodnja električne energije ima negativne posljedice za naš planet, iako se intenzivno traže ekološk(ij)a rješenja. Naš pristup je potraga za energetski učinkovitim električnim komponentama kojima bi se smanjila potrošnja električne energije.

Gotova sva elektronika danas, pa i ona široke potrošnje (consumer electronics), temelji se na tankim filmovima poluvodičkih materijala naparenih na podlozi od silicija.

Zašto tanki filmovi? Zašto (zasad) poluvodiči?

Zbog svojih posebnih svojstava tanki filmovi omogućuju nižu operativnu energiju, malene uređaje, a time i uporabu manje količine materijala. Izbor materijala je uvjetovan mogućnošću rasta “idealnih” tankih filmova, tj. kristaličnih filmova dobro definirane orijentacije i bez defekata. U zadnjih 20-ak godina je uz poluvodičke filmove moguće proizvesti i filmove većine kompleksnih oksida usporedive kvalitete. Kompleksni oksidi su materijali koji se sastoje od kisika i barem dva dodatna elementa (ili istog elementa u dva oksidacijska stanja) uz kisik. Tipičan primjer su perovskiti.

Iako se nazivaju kompleksnim oksidima, perovskiti su u stvari sasvim jednostavni spojevi: kristalna struktura oksidnih perovskita opće formule ABO3 (npr. BaTiO3) je kuboid s atomima tipa A u vrhovima, B u središtu i atomima kisika u centrima ploha. Ono što je kompleksno je raspon njihovih svojstava, fizičkih, optičkih i električnih, zbog velike fleksibilnosti u izboru elemenata A i B, što ih čini iznimno raznolikom skupinom materijala.

Moj rad se fokusira na feroelektrike, materijale sa spontanim uređenjem naboja, odnosno polarizacijom, koje se može preokrenuti primjenom električnog polja [2]. Kod pravih feroelektrika, polarizacija je posljedica malog pomaka jedne vrste elementa u spoju prema ostalim vrstama.

Feroelektrici se odlikuju karakteristikama primamljivim za niz primjena. Jedna od njih je vezana uz problem pohrane podataka, kojemu možemo doskočiti neizbrisivim memorijama od kojih je najpoznatija takozvana FeRAM (feroelektrična memorija nasumičnog pristupa). Zbog inherentnog postojanja stabilnih stanja polarizacije u feroelektriku, nije potrebno neprestano dovoditi električnu energiju za pohranu bita već samo prilikom upisa i očitavanja. Prednosti su stoga potrošnja energije oko 1% sadašnje energije po bitu, veća brzina i mogućnost gušćeg slaganja bitova [3]. Također, zbog toga što polarizacija dovodi do nabijenih površina feroelektrika, koriste se kao katalizatori za oksidaciju ugljikovog monoksida i elektrolizu dušikovog oksida ili vode [4, 5]. Prepustimo li se mašti, možemo zamisliti i vožnju iz Zuricha sve do Splita sa samo jednim punjenjem električnog automobila! Ključ je u baterijama velike dielektrične konstante ili pak negativnog kapaciteta [6].

Ove primjene zvuče sjajno, no zašto nemamo feroelektrike posvuda?

Izazov s kojim se suočavamo je precizna kontrola svojstava materijala u svakom koraku izrade električne komponente, zatim i skaliranje, uniformnost i robusnost pri primjeni.

Što uopće može poći po zlu?

Glavni neprijatelj polarizacije je depolarizacijsko polje koje nastaje na površinama tankog filma i, kako mu ime kaže, protivi se pojavi spontane polarizacije. Što je film tanji, učinak depolarizacijskog polja je veći. Polarizaciji možemo pomoći zasjenjivanjem površinskih naboja metalnim elektrodama ili atmosferom bogatom ionima. Ako ne zasjenimo površinske naboje, polarizacija će se najčešće razdvojiti u domene, područja unutar kojih je spontana polarizacija u istom smjeru, tako da nema makroskopskog naboja na površini, ali ni makroskopske polarizacije [7].

Kako su feroelektrici feroelektrični tijekom proizvodnje, jačina polarizacije i domensko stanje se određuju već tada. Moj doprinos je u razumijevanju polarizacije tijekom rasta tankih filmova. U tipičnoj proizvodnji je već dugi niz godina moguće pratiti debljinu sloja putem elektronske difrakcije. Iako je taj podatak koristan, ne govori nam mnogo o funkcionalnim svojstvima (jačini polarizacije i domenskom stanju) filma te je takvo testiranje trebalo provesti tek nakon završetka proizvodnje.

Štoviše, ukoliko se radi o nizu tankih slojeva, što je najčešći slučaj, nije moguće ustvrditi koji od slojeva je uzrokovao promjenu polarizacije. U mom istraživanju smo rasvijetlili taj problem doslovnim rasvjetljavanjem našeg materijala laserskim svjetlom tijekom rasta.

Naša grupa na ETH Zurichu, u Laboratoriju za multifunkcionalne feroične materijale, je jedinstvena po tome što smo jedini koji mogu pratiti polarizaciju tijekom rasta ultratankih feroelektrika (reda veličine nanometra) putem generacije drugog harmonika (second harmonic generation) u feroelektričnom materijalu. Projekt je financiran IN-SEETO Advanced ERC Grant-om, a odnedavno i POLARIS Proof of Concept Grant-om za komercijalizaciju tehnologija.

Jedan od naših doprinosa je rad na kondenzatoru prototipnog feroelektrika BaTiO3. Uočili smo, objasnili i doskočili raspadu polarizacije u domene prilikom rasta nominalno metalne gornje elektrode [8]. Loša metaličnost elektrode pri ultratankim slojevima do tada nije uzeta u obzir jer se radi o prijelaznom stanju. Iako je to stanje prijelazno, ono trajno loše utječe na polarizaciju što se može izbjeći nizom trikova.

U ponekim bitkama s depolarizacijskim poljem ipak dopustimo njegovu premoć kako bi nastale kompleksne strukture polarizacije poput vorteksa polarizacije kojima se divimo, pokušavajući ih dokučiti [9]. Taj dio istraživanja je zasad samo za osobni užitak.

Dobro poznavanje funkcionalnih svojstava je ključno za izradu električnih komponenata, a time i za smanjenje potrošnje električne energije. Potrebna je pažnja pri svakom koraku, od optimizacije materijala, testiranja do osmišljavanja dizajna. Naš glavni doprinos je za sada na prvom od tih koraka, a filmove kasnije testiraju mnogi suradnici, kako za fundamentalna istraživanja tako i za primjene poput suradnje s IBM Research-om na optimizaciji elektro-optičkih modulatora.

Nives Štrkalj
ETH Zurich
Department of Materials
Laboratory for Multifunctional Ferroic Materials
nives.strkalj@mat.ethz.ch

——-
[1] A. S. G. Andrae, and T. Edler, Challenges 6, 117 (2015).
[2] C. H. Ahn, K. M. Rabe, and J.-M. Triscone, Science 303, 488 (2004).
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Ferroelectric_RAM
[4] A. Kakekhani, and S. Ismail-Beigi, ACS Catal. 5, 4537 (2015)
[5] A. Kakekhani, and S. Ismail-Beigi, J. Mater. Chem. A 4, 5235 2016) (5246
[6] J. Íñiguez, P. Zubko, I. Luk’yanchuk, I., and A. Cano, Nat. Rev. Mater. 4, 243 (2019).
[7] J. Nordlander, G. De Luca, N. Strkalj, M. Fiebig, and M. Trassin, Appl. Sci. 8, 570 (2018).
[8] N. Strkalj, G. De Luca et al., Phys. Rev. Lett. 123, 147601 (2018).
[9] A. Yadav, C. Nelson, S. Hsu, et al., Nature 530, 198 (2016)