Hafnium on antiferrosähköinen

Nebraskan ja Lincolnin yliopiston fyysikot Xiaoshan Xu, Alexei Gruverman ja Evgeny Tsymbal osoittivat, että hafniumoksidi – kova, lämmönkestävä kemiallinen yhdiste, jota käytetään laajalti nykyaikaisessa elektroniikassa – on luonnostaan antiferroelektrinen, harvinainen ominaisuus, jota esiintyy hyvin harvoissa materiaaleissa. Monet luonnostaan antiferroelektriset materiaalit sisältävät lyijytoksiinia, mikä rajoittaa niiden laajaa käyttöä.

Kolmikon mukaan uraauurtava löytö auttaa ratkaisemaan pitkään jatkuneen keskustelun hafnian ominaisuuksista. Vaikka tiedemiehet ovat jo pitkään havainneet materiaalin antiferroelektristä käyttäytymistä, he ovat olleet eri mieltä siitä, johtuuko se "aidosta" antiferroelektrisyydestä vai keinotekoisesta vaikutuksesta, joka johtuu sähkövarausten loukkuun jäämisestä tai uudelleenjakautumisesta.

”Tutkimus on erittäin jännittävä”, sanoi tutkimuksen pääkirjoittaja Xu, fysiikan ja tähtitieteen professori Susan J. Rosowski. ”Olemme paitsi löytäneet tämän uuden materiaalin, jolla on luontainen antiferrosähköisyys, materiaali on myös jo yhteensopiva nykyaikaisen elektroniikan kanssa. Tämä erottaa sen kaikista muista ferrosähköisistä materiaaleista.”

Artikkeli menee askeleen pidemmälle ja ehdottaa, että hafnia voisi toimia antiferroelektrisen materiaalin prototyyppinä, mikä tarkoittaa, että se voi edustaa opetus- ja tutkimustarkoituksiin käytettävien materiaalien luokkaa. Tämä johtuu siitä, että sen koostumus on täysin linjassa antiferroelektrisyyden klassisen määritelmän kanssa: Materiaalin positiiviset ja negatiiviset atomit ovat erotettuja toisistaan neutraaleilla atomeilla.

Antiferroelektrisessä materiaalissa on kaksi ryhmää sähköisiä dipoleja, jotka luonnostaan osoittavat vastakkaisiin suuntiin, kumoavat toisensa ja jättävät materiaalin kokonaan ilman sähköistä polarisaatiota. Kun materiaaliin kohdistetaan ulkoinen jännite, se toimii kytkimenä, joka muuttaa materiaalin sähköisesti neutraalista polarisoituneeksi, kunnes jännite poistetaan. Tämä "kytkettävyys" on arvokasta, koska se mahdollistaa materiaalin energian vastaanottamisen ja vapauttamisen, lämpötilan muuttamisen ja informaation tallentamisen.

Tulevaisuuden sovelluksia voisivat olla esimerkiksi tehokkaat kondensaattorit, jotka auttavat pienentämään elektronisten komponenttien ja laitteiden kokoa; kompaktimmat ja ympäristölle haitallisista kylmäaineista vähemmän riippuvaiset puolijohdejäähdytysjärjestelmät; sekä tietokoneet, joissa on parempi muisti energiatehokkaan tallennuksen ja datan saatavuuden ansiosta.

”Tässä työssä on huomionarvoista se, että jopa yksikerroksisessa kiteessä voidaan ylläpitää antiferrosähköisyyttä ja jopa parantaa sitä melko tehokkaasti”, sanoo fysiikan ja tähtitieteen professori Tsymbal.” Osoitimme, että jos kasvatat erittäin korkealaatuisen yksikiteisen aineen, saat todellakin antiferrosähköisyyden ominaisuuden.”

Aiheesta aiemmin:

Aitoa ferrielektristä materiaalia löydetty

Erittäin tehokkaita mikrokondensaattoreita