铁电材料是具有自发电极化的物质。极化是指材料内正电荷和负电荷的分离。
钇（部分阴影橙色）掺杂二氧化铪晶体的结构表现出铁电极化（蓝色箭头），随着外部电场的反转而改变方向。
（来源：美国橡树岭国家实验室）
对于铁电材料，这意味着材料先前状态的“记忆”（称为滞后）可以以类似于硬盘等磁存储设备的方式存储信息。基于元素铪的铁电材料显示出前景，因为与其他潜在材料相比，它们与当今的硅计算机电路更兼容。过去，研究人员在超薄膜上实现了铁电性。这些薄膜可能很脆弱且难以使用。科学家们现在报告了由铪基化合物、大块钇掺杂二氧化铪制成的晶体中室温铁电性的第一个实验证据。
Hafnia（二氧化铪） 基铁电材料对计算机内存有很多好处。它们提供高速、耐用、较低的运行功率以及在关闭电源时保留数据的能力。然而，研究人员并不完全了解这些材料。这项研究开发了一种创新的块状氧化铪基铁电材料。结果提供了有关这些材料如何表现以及如何控制它们的见解。结果还消除了材料的尺寸上限，使此类材料更易于在实际应用中使用。大样本量将有助于进一步的实验，以更好地了解材料的铁电特性。这反过来又将帮助研究人员创建下一代非易失性存储设备。
英特尔公司的联合创始人戈登摩尔在 1965年假设计算机芯片上的晶体管数量每 2 年翻一番，这一预测被称为摩尔定律。此后，芯片制造商能够保持这种小型化速度，但由于物理定律而面临越来越多的挑战。基于铪的铁电材料可能有助于进一步小型化非易失性存储设备，但研究人员尚未开发出块状材料。在这项研究中开发的新型块状铁电钇掺杂二氧化铪可以实现这种发展，从而导致更多地使用铪在计算机芯片上并扩展摩尔定律。
罗格斯大学领导的一组研究人员使用POWGEN对掺钇二氧化铪进行了中子粉末衍射测量， POWGEN 是橡树岭国家实验室能源部(DOE) 用户设施散裂中子源的通用粉末衍射仪(ORNL)。POWGEN 是一种高分辨率中子粉末衍射仪，能够表征新型多晶材料的晶体、磁性和局部结构。该团队合成了不同钇掺杂水平的钇掺杂二氧化铪单晶，并将其研磨成粉末进行表征。POWGEN 数据显示，在某些掺杂水平下，体相是稳定的，并且氧原子发生移动以实现可逆极化，从而证实了氧化铪在室温下的铁电性。其他测量，包括极化电场磁滞回线和计算模拟，支持了结构分析，代表了朝着未来基于氧化铪的技术迈出的重要一步。
该研究得到了由戈登和贝蒂摩尔基金会的 EPiQS 倡议资助的量子材料合成中心、罗格斯大学、海军研究办公室和国防部的支持。中子表征是使用散裂中子源（美国能源部科学办公室在 ORNL 的用户设施）进行的。
相关论文：块状单晶 HfO 2中的动力学稳定铁电性：Y
地址：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00897-x
论文简介：HfO 2是一种简单的二元氧化物，具有可集成到硅技术中的超可扩展铁电性。这种材料具有多晶型性质，超薄膜中的极性正交（Pbc 2 1）形式被认为是铁电性的可能原因，但被认为在块状晶体中无法实现。在这里，我们使用最先进的激光二极管加热浮动区技术，报告了块状单晶 HfO 2 :Y 中的Pbc 2 1相和铁电性以及反极性Pbca的存在不同 Y 浓度的相。中子衍射和原子成像展示了（反）极性晶体学特征和丰富的 90°/180° 铁电畴，以及可忽略唤醒效应的可切换极化。密度泛函理论计算表明，钇掺杂和快速冷却是稳定所需相的关键因素。我们的观察提供了对 HfO 2的多晶型性质和相位控制的见解，消除了铁电体的尺寸上限，并为下一代铁电体器件提出了方向。