Группа исследователей из МФТИ обнаружила, что оксид гафния в виде пленки, имеющей специфическую форму проявляет свойства прекрасного пьезоэлектрика. Полученные в результате исследований результаты позволят создать новые микроскопические двигатели микро- и наномасштаба, которые можно легко совместить с кремниевыми технологиями. Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces. Плёнки оксида гафния давно используются в процессорах в качестве элемента транзисторов. Также на основе этих плёнок изготавливают устройства энергонезависимой памяти — «флешки». Материал умеет «запоминать» информацию, так как обладает сегнетоэлектрическими свойствами: поляризацией, которую можно менять внешним электрическим полем. Также плёнки оксида гафния идеально совместимы со всей полупроводниковой электроникой.
Все сегнетоэлектрики являются пьезоэлектриками. Плёнки оксида гафния проявляют обратный пьезоэлектрический эффект: с помощью электрического поля можно создавать механические деформации материала. Такие материалы могут стать основой для различных микро- и наномоторов, которые управляются электрическим напряжением: миниатюрных перемещателей, подвижных и настраиваемых микролинз, ключей в электрической цепи, инжекторов микродоз лекарства.
Обычные «плоские» плёнки оксида гафния на жёстких кремниевых кристаллах — «плохие» пьезоэлектрики. Они слабо преобразовывают электрическое напряжение в механическое, почти в 100 раз хуже стандартных пьезоматериалов.
Схема исследования. Источник: ACS Applied Materials & Interfaces
В лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ обнаружили, что при «подвешивании» плёнок на тонкие гибкие мембраны специфической геометрии можно добиться гигантского электромеханического отклика. Сначала учёные показали, что с помощью метода атомно-слоевого осаждения оксидом гафния можно равномерно покрыть трёхмерный объект любой формы, то есть создать плёнку любой трёхмерной конфигурации. Далее они экспериментально проверили, что если вырастить плёнки на ступенчатой гибкой мембране, то в такой конфигурации плёнки оксида гафния ведут себя как хорошие пьезоэлектрики.
«Наш результат открывает широкие перспективы поиска новых конфигураций трёхмерных пьезоэлектрических устройств, которые позволят улучшить их производительность. Это открывает новое направление в нано- и микросистемной технике», — говорит Анастасия Чуприк, заведующий лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Фото. Изображение ступенчатой пьезоэлектрической мембраны в сканирующем электронном микроскопе. Источник: ACS Applied Materials & Interfaces
Исследователи разработали технологию изготовления мембран для выращивания плёнок любой конфигурации. Ступенчатая гибкая мембрана была выбрана, чтобы сделать эксперимент наглядным и надёжным: можно контролируемо менять параметры геометрии и точно учитывать конфигурацию в теоретическом обосновании. Далее провели экспериментальные исследования сегнетоэлектрических свойств: показали, что выращивание плёнки на гибкой подложке не портит её свойства. С помощью микроскопии пьезоотклика учёные продемонстрировали пьезоэлектрические свойства — гигантский электромеханический отклик материала, который в 25 раз больше отклика плоской плёнки.
Чтобы понять причину, почему наблюдается такой эффект, физики провели квантомеханические расчёты и численное моделирование. Было предположение, что на величину эффекта могут влиять остаточные механические напряжения, которые образуются в процессе кристаллизации плёнки на гибкой подложке. Оказалось, что остаточные механические напряжения влияют незначительно.
«Наблюдаемый нами эффект — синергия собственных сегнетоэлектрических свойств плёнки и гибкости мембран, в которых участки то провисают, то выгибаются и становятся более чувствительными к воздействию электрического поля», — комментирует Анастасия Чуприк.
Предложенный подход позволяет разрабатывать новые перспективные пьезоэлектрические устройства, включая наноактюаторы и нанопереключатели, наноинжекторы, миниатюрные настраиваемые отражатели и линзы.
Для любознательных
Пленочный оксид гафния (открывает революционные перспективы для создания наномоторов и микроэлектромеханических систем (МЭМС) благодаря обнаружению у него сильных пьезоэлектрических свойств в ультратонких слоях.
Главная ценность этого материала заключается в том, что он напрямую совместим с кремниевой технологией (CMOS) производства современных чипов. Это позволяет интегрировать наномоторы и актуаторы прямо в полупроводниковые процессоры, минуя сложные гибридные технологии сборки.
В чем главные перспективы материала?
-
-
Высокий пьезоотклик при «неправильной» геометрии: В естественном состоянии оксид гафния центросимметричен и не обладает пьезоэффектом. Однако ученые обнаружили, что при создании ультратонких пленок нестандартной геометрии (например, с наклоном кристаллической решетки или при механическом ограничении) в нем стабилизируется полярная орторомбическая фаза. Это заставляет материал сильно сжиматься или расширяться под действием электрического тока.
- Преодоление «проклятия масштаба»: Традиционные пьезоэлектрики (например, титанат бария или ЦТС) теряют свои свойства, если их уменьшить до толщины в несколько нанометров. Пленки \(\text{HfO}_{2}\) стабильно работают даже при толщине менее 10 нанометров, что идеально подходит для нанороботов.
- Биосовместимость и прочность: Диоксид гафния химически инертен, устойчив к агрессивным средам и биосовместим, что открывает ему путь в медицинские нанотехнологии (например, для создания целевых систем доставки лекарств внутри организма).
-
Многофункциональность: Пленки могут одновременно выступать и как элементы энергонезависимой памяти (FeRAM), и как микромоторы, позволяя создавать полностью автономные «умные» наноустройства.
-
Что делается в мире и ключевые достижения
Мировое научное сообщество активно изучает тонкие пленки оксида гафния, двигаясь от теории к практическим устройствам:
| Направление / Страна | Что конкретно реализуется в мире |
|---|---|
| Россия (МФТИ и др.) | Исследователи доказали, что за счет изменения угла роста структуры («нестандартной геометрии») оксид гафния превращается в эффективный пьезоэлектрик. Они отработали методы магнетронного распыления и атомно-слоевого осаждения (ALD) для создания моторов наномасштаба. |
| США (Университет Вирджинии и др.) | Группы ученых (например, под руководством Дж. Илефельда) активно исследуют управление кислородными вакансиями внутри пленок. Это необходимо для контроля деформаций и предотвращения электрического пробоя в ультратонких актуаторах. |
| Евросоюз (Германия, Франция) | Исследовательские центры (включая работу с лабораториями IMEC) фокусируются на легировании гафния цирконием. Такое решение снижает температуру кристаллизации полярной фазы, делая производство наномоторов безопасным для готовой кремниевой подложки микросхем. |
| 🇨🇳🇰🇷 Китай и Южная Корея | Азиатские институты сосредоточены на методах высокоточного текстурирования — фотолитографии глубокого ультрафиолета (DUV) и плазменного травления для формирования из пленок упорядоченных массивов наноколонн и нанорычагов. |
Как это производится?
Основным технологическим стандартом в мире для этого материала стало атомно-слоевое осаждение (ALD). Оно позволяет наносить оксид гафния буквально поатомно, контролируя толщину и однородность по всей площади кремниевой пластины.
Какое именно применение наномоторов вас интересует больше всего — медицинские нанороботы или компоненты для микроэлектроники (МЭМС-переключатели, сенсоры)? Я могу подробнее описать архитектуру таких устройств.
Источник: https://habr.com/
