Представлен атомарно тонкий сегнетоэлектрический материал, открывающий путь к электронике с низким энергопотреблением

Несмотря на свой потенциал, уменьшение толщины этих материалов до нескольких атомов часто приводит к изменению некоторых их свойств и характеристик. В частности, на таких масштабах их внутренняя поляризация может стать нестабильной, а для ее переключения часто требуются относительно высокие напряжения.

Исследователи из Университета Вестлейк и Чжэцзянского университета недавно показали, что оксид галлия (Ga₂O₃) может становиться сегнетоэлектриком при толщине, близкой к атомной, сохранять стабильную поляризацию и переключаться между состояниями поляризации при относительно низком напряжении в 0,8 вольта. В их статье, опубликованной в Nature Electronics, подчеркивается потенциал этого материала для разработки компактных энергонезависимых запоминающих устройств, небольших датчиков и других электронных компонентов с низким энергопотреблением.

Когда исследователи поняли, что могут значительно уменьшить толщину пленок Ga₂O₃, они решили изучить свойства материала при толщине, близкой к атомной. В частности, они хотели выяснить, переходит ли материал в новое структурное состояние при уменьшении толщины и появляются ли у него другие свойства.

Для этого они вырастили высококачественные монокристаллические пленки β-Ga₂O₃ с помощью метода, называемого молекулярно-лучевой эпитаксией с плазменным усилением (PA-MBE). Этот метод предполагает осаждение пучков атомов на нагретую кристаллическую поверхность в условиях очень высокого вакуума.

«Затем мы разработали то, что мы называем самоограничивающимся процессом эксфолиации,» — объясняют ученые —  «Полезная аналогия заключается в открытии очень толстой книги на одной заранее определенной странице: вместо случайного разрушения материала специально сконструированный эпитаксиальный интерфейс позволяет ему разделяться в определенной атомной плоскости. Используя этот подход, мы могли бы получить GAOo₃ толщиной всего в половину элементарной ячейки, всего около 6 ангстремов, или 0,6 нанометра «.

Приложив контролируемое напряжение к пленке в двух направлениях в плоскости, исследователи изменили расположение ее атомов. Это превратило несегнетоэлектрические пленки β-Ga₂O₃ в многослойные пленки с полярной сегнетоэлектрической структурой.

Затем исследователи использовали несколько дополнительных методов, чтобы убедиться, что наблюдаемое явление — это действительно сегнетоэлектричество, а не артефакт измерения. Пьезооткликовая силовая микроскопия (ПОСМ) позволила записывать и переключать поляризационные домены; генерация второй гармоники (ГВГ) использовалась для изучения нарушения структурной симметрии, связанного с сегнетоэлектрическим состоянием; а электрические измерения методом пьезоотклика дали прямое макроскопическое подтверждение переключаемой поляризации.»

Результаты этого исследования демонстрируют потенциал Ga₂O₃ для разработки более компактных и энергоэффективных электронных компонентов. Они предполагают, что тонкие пленки Ga₂O₃ могут обладать различными полезными свойствами, в том числе стабильной поляризацией, высокой термостабильностью и относительно низким напряжением переключения — 0,8 В.