Новая методика позволяет получить наноструктурные материалы на основе диоксида циркония с большим количеством кислородных вакансий — участков, вовлечённых в проведение тока.
Обычно при комнатной температуре диоксид циркония содержит мало кислородных вакансий, но авторам удалось управлять их числом благодаря синтезу в вакуумной камере в плазме аргона и кислорода при очень низком давлении — в десятки тысяч раз меньше атмосферного. Синтезированные материалы перспективны в электронике как элементы запоминающих устройств. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Vacuum.
Измерительная головка атомно-силового микроскопа
Диоксид циркония в виде тонких плёнок или наночастиц рассматривается в качестве нового материала для применения в электронике, например в устройствах энергонезависимой памяти (мемристорах), а также в транзисторах — элементах для усиления и преобразования электрических сигналов. Он хорошо совместим с кремнием, кроме того, его способностью проводить ток можно управлять, а это актуально для записи и хранения больших объемов информации. Последнее свойство обеспечивается тем, что в виде тонких плёнок или наночастиц диоксид циркония несёт большое количество кислородных вакансий — участков, в которых в кристаллической решетке «не хватает» атома кислорода и которые при определенном воздействии (высоком напряжении) могут вовлекаться в проведение тока. Однако широко диоксид циркония в чистом виде в электронике пока не используется из-за того, что получить материал с большим количеством кислородных вакансий сложно. Так, например, он стабилен при температурах выше 1100°С, когда кристаллическая решётка диоксида циркония принимает так называемую тетрагональную фазу. При этом при понижении температуры до комнатной материал возвращается в состояние с малым числом кислородных вакансий.
Микрофотография поверхности образца оксида циркония, на котором наблюдался описываемый эффект
Учёные из Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН», Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН и Сибирского федерального университета (Красноярск) разработали технологию для эффективного получения оксида циркония, стабильно поддерживающего тетрагональную фазу при комнатной температуре. Образцы синтезировали в плазме инертного газа аргона в вакуумной камере при разном давлении — от пятисот до десятков тысяч раз меньше атмосферного. Также в реактор подавали кислород. При этом чем меньше было создаваемое давление, тем более разрежённым получался воздух в камере и тем меньше в ней была концентрация кислорода.
Схема процесса резистивного переключения
Фазовый состав сформированных частиц авторы исследовали с помощью рентгеноструктурного анализа. Этот метод основан на том, что в зависимости от своей атомной структуры кристаллы по-разному отражают направленный на них рентгеновский луч. Оказалось, что с уменьшением давления в вакуумной камере и, соответственно, со снижением концентрации кислорода доля тетрагональной фазы возрастала с 11% до 53%. Значит, в этом случае в оксиде циркония было больше свободных участков для перемещения носителей заряда, которые обеспечивают протекание тока в оксиде. Таким образом, учёные смогли получить устойчивый проводящий элемент. Разработанная технология позволит синтезировать нужную фазу оксида циркония в промышленных масштабах.
«В своей работе мы исследовали материал, перспективный для энергонезависимых запоминающих электронных устройств нового поколения. В целом требования к таким материалам известны — они должны быть способны "переключаться" между состоянием, в котором не способны проводить ток, и тем, в котором могут это делать. Поэтому важно было изучить физические процессы на этапе получения образцов, которые приводят к удовлетворению этих требований. В дальнейшем мы планируем подробно исследовать, как присутствие кислородных вакансий сказывается на электрофизических и магнитных свойствах диоксида циркония», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Леонид Фёдоров, научный сотрудник Красноярского научного центра СО РАН.
Источник: РНФ.