Исследователи из Юлиха и Галле закладывают основы хранения материалов будущего. В так называемом сегнетоэлектрическом материале они впервые непосредственно наблюдали, что диполи, которые несут информацию в этом материале, постоянно меняют свою ориентацию и поэтому также могут образовывать кольцо, сообщают ученые в «Науке».
Они достигли этого с помощью особенно высококонтрастной формы просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, которую разработали исследователи из Исследовательского центра Юлиха. Диполи, расположенные кольцом, могли позволить гораздо плотнее заполнять память данными, чем раньше.
Сегнетоэлектрики решают дилемму индустрии чипов
Сегнетоэлектрики могут решить дилемму в индустрии чипов. Они постоянно хранят данные, и их можно быстро записывать и считывать. Напротив, магнитные материалы, на которых основаны жесткие диски, постоянно фиксируют данные, но являются инертными. Полупроводниковая память, с другой стороны, быстро оперирует данными, но быстро теряет свою память, поэтому электрические заряды на их конденсаторах должны постоянно обновляться.
Сегнетоэлектрики сочетают в себе преимущества обоих материалов. И, возможно, информация в них может быть упакована более плотно, чем считалось ранее. Таким образом, они могут стать предпочтительным материалом для памяти с плотностью в несколько терабит на квадратный дюйм.
Элементарная ячейка слегка искажена
Сегнетоэлектрические материалы хранят биты, поляризуя свои элементарные ячейки, их мельчайшие структурные единицы. Это означает, что электрическое поле слегка смещает положительно и отрицательно заряженные атомы друг относительно друга, так что элементарная ячейка немного искажается и образуется диполь. Это сохраняется до тех пор, пока обратно поляризованное поле не перевернет диполь или не отменит поляризацию. В сегнетоэлектрической памяти каждому биту назначается область - физики говорят о домене - где все диполи выровнены одинаковым образом.
«Теперь мы установили, что при определенных условиях поляризация сохраняется даже в очень маленьких областях», - говорит Чун-Лин Цзя из Forschungszentrum Jülich. Исследователи определили это с помощью сегнетоэлектрика, произведенного в Институте физики микроструктур имени Макса Планка в Галле. Он содержит свинец, цирконий, титан и кислород и называется цирконат-титанатом свинца (PZT).
Просвечивающий электронный микроскоп в работе
Джиа и Кнут Урбан из Ernst Ruska-Centrum - экспертного центра Аахена и Юлиха по микроскопии и спектроскопии с помощью электронов - исследовали образец PZT с помощью особо чувствительного просвечивающего электронного микроскопа с атомарным разрешением. Это устройство с коррекцией аберраций исправляет аберрации в системе линз и, таким образом, обеспечивает четкое и высококонтрастное изображение очень мелких деталей.
Микроскоп даже способен определять положение атомов с точностью до нескольких пикометров - пикометр равен одной тысячной нанометра. С помощью этого метода, в отличие от обычного просвечивающего электронного микроскопа, можно локализовать атомы кислорода PZT, которые в противном случае трудно обнаружить из-за их слабого рассеянного сигнала.
Определено точное положение атомов
Определив точное положение атомов кислорода, а также атомов циркония и титана в образце ЦТС, исследователи определили ориентацию диполей в каждой из более чем 250 элементарных ячеек. Образец состоит из поперечного сечения слоя PZT толщиной около двадцати элементарных ячеек, то есть добрых сорока атомных слоев.
Ионела Врежойу из Института физики микроструктур имени Макса Планка очень точно нанесла ферроэлектрический материал на подложку из монокристаллического титаната стронция. Она также снабдила его тонким промежуточным слоем из оксида рутения, чтобы можно было лучше определить границу раздела между подложкой и сегнетоэлектрическим материалом. Кроме того, граница между двумя доменами с обратной поляризацией хорошо видна на трансмиссионной электронной микрофотографии поперечного сечения образца.
Наблюдения удивляют исследователей
Там, где граница домена встречается с промежуточным слоем оксида рутения, физики из Юлиха обнаружили нечто неожиданное, а именно еще один домен площадью всего несколько квадратных нанометров, в котором ориентация ансамбля диполей непрерывно изменяется на общую вращается на 180 градусов - ученые говорят о области замыкания потока.
«Мы знаем такие домены из магнитных материалов, и некоторые расчеты также предсказывают их для сегнетоэлектрических материалов», - говорит Урбан. «Но мы впервые наблюдали их напрямую.» Несмотря на теоретические предсказания, многие физики ранее считали кольцеобразные диполи невозможными.
«Я не верил, что они существуют», - признается Марин Алекс, исследователь сегнетоэлектриков в Институте Макса Планка в Галле. На это у него тоже есть веская причина: намагниченность переносится электронами, и ее направление можно изменить с небольшими затратами энергии. С другой стороны, переориентация диполей в сегнетоэлектриках вызывает искажение или перестройку элементарных ячеек. Такие изменения требуют гораздо больше энергии, чем магнитная переориентация, поскольку они нарушают симметрию кристалла. Поворот на 180 градусов еще понятен, но постепенное искривление элементарной ячейки многие ученые считали просто слишком энергозатратным.
Обнаружено непрерывное вращение диполей
«Тот факт, что мы продемонстрировали замыкание кольца дипольного потока и непрерывное вращение диполей, также должен иметь практическое применение», - говорит Дитрих Гессе из Института Макса Планка в Галле. "По-видимому, природа нашла способ таким образом поддерживать поляризацию даже в структурах размером менее десяти на десять нанометров." До сих пор физики предполагали, что поляризация коллапсирует в таких структурах, потому что они содержат слишком мало диполей.
Поскольку сегнетоэлектричество является коллективным явлением, диполи в некотором роде поддерживают друг друга. Если их число падает ниже определенного предела, мельчайшие электрические заряды, всегда образующиеся на поверхностях, нарушают порядок диполей. Этот эффект также можно объяснить тем фактом, что поляризация на верхней стороне слоя PZT, которую сейчас изучала исследовательская группа, исчезла. «Поэтому до сих пор нам приходилось предполагать, что мы не можем уменьшить размер доменов ниже предела 20 на 20 нанометров из-за деполяризации», - говорит Алекс. Именно это теперь стало возможным.
Когда формируются структуры с кольцевой поляризацией?
«Теперь мы изучим точные условия, при которых формируются структуры с кольцевой поляризацией», - говорит Алекс. Затем нуль и единица бита могут быть закодированы путем выравнивания диполей по часовой стрелке и против часовой стрелки.«У нас уже есть идеи для соответствующих исследований», - говорит Гессе. «Но пройдет еще несколько лет, прежде чем появятся устройства хранения данных, которые могут постоянно хранить несколько триллионов точек данных на квадратный дюйм, а также записывать и выдавать их так же быстро, как сегодняшняя оперативная память».