研究人员利用位于 ORNL 的 DOE 纳米材料科学中心的超高真空原子力显微镜，在氧化锆铪中发现了独特的环境诱导铁电相变，这种材料对开发先进半导体非常重要。资料来源：Arthur Baddorf/ORNL，能源部

像铪这样的材料具有铁电性，这意味着它们即使在没有电源的情况下也能长时间存储数据。这些特性表明，这些材料可能成为开发新型非易失性存储器技术的关键。创新的非易失性存储器应用将减轻数据不断传输到短期存储器所产生的热量，从而为创建更大、更快的计算机系统铺平道路。

了解hafnia的电气行为

科学家们探索了大气层是否会影响hafnia在外部电场作用下改变其内部电荷排列的能力。目的是解释在霞糠研究中发现的一系列不寻常现象。研究小组的研究成果最近发表在《自然-材料》杂志上。

"我们最终证明，这些系统中的铁电行为是与表面耦合在一起的，并且可以通过改变周围的大气环境来调整。在此之前，这些系统的工作原理只是一种推测，一种基于我们小组和全球多个小组大量观察结果的假设，"ORNL 纳米材料科学中心研究员凯尔-凯利（Kyle Kelley）说。CNMS 是能源部科学办公室的用户设施。凯利与田纳西大学诺克斯维尔分校的谢尔盖-卡利宁合作进行了实验并构思了该项目。

表面层和存储器应用

通常用于存储器应用的材料都有一个表面层或死层，会影响材料存储信息的能力。当材料被缩小到只有几纳米厚时，死层的影响就会变得非常严重，足以完全阻止其功能特性。通过调整表层的行为，在hafnia，这使得材料从反铁电状态过渡到铁电状态。

Kelley说："最终，这些发现为铪的预测建模和设备工程提供了一条途径，鉴于这种材料在半导体工业中的重要性，这是迫切需要的。"

预测建模使科学家能够利用以前的研究来估计未知系统的特性和行为。Kelley 和 Kalinin 领导的这项研究主要关注的是与氧化锆（一种陶瓷材料）混合的hafnia合金。不过，未来的研究可以利用这些发现来预测二氧化铪与其他元素合金化后的行为。

研究方法与合作

这项研究依赖于手套箱内和环境条件下的原子力显微镜以及超高真空原子力显微镜，这些方法都是 CNMS 可以提供的。

凯利说："利用 CNMS 的独特能力，我们能够完成这类工作。我们基本上改变了环境，从环境气氛一直到超高真空。换句话说，我们把大气中的所有气体都去除到可以忽略不计的程度，然后测量这些反应，这是很难做到的。"

卡内基梅隆大学材料表征设施的团队成员通过提供电子显微镜表征在研究中发挥了关键作用，弗吉尼亚大学的合作者则领导了材料开发和优化工作。

ORNL的刘永涛（CNMS研究员）进行了环境压电响应力显微镜测量。支撑该研究项目的模型理论是卡利宁和乌克兰国家科学院物理研究所的安娜-莫罗佐夫斯卡长期合作研究的成果。

团队的见解

Kalinin说："我与基辅的同事在铁电物理和化学方面已经合作了近 20 年。他们几乎是在该国战争的前线为这篇论文做了大量工作。这些人一直在我们大多数人无法想象的条件下从事科学研究。"

研究小组希望，他们的发现将激发新的研究，专门探索受控表面和界面电化学的作用--电和化学反应之间的关系。