قام فريق من العلماء في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بدراسة سلوك أكسيد الهافنيوم، أو الهافنيوم، لإمكانية استخدامه في تطبيقات أشباه الموصلات الجديدة. وجد العلماء الذين يدرسون إمكانية استخدام الهافنيوم في تطبيقات أشباه الموصلات أن سلوكه يمكن أن يتأثر بالجو المحيط. توفر النتائج التي توصلوا إليها آثارًا جيدة لتكنولوجيا الذاكرة المستقبلية.

باستخدام المجهر الفائق القوة الذرية في مركز علوم المواد النانوية التابع لوزارة الطاقة في ORNL، اكتشف الباحثون تحولًا فريدًا من نوعه في الطور الكهروضوئي الناجم عن البيئة في أكسيد الزركونيوم والهافنيوم، وهي مادة مهمة لتطوير أشباه الموصلات المتقدمة. المصدر: آرثر باددورف/ORNL، وزارة الطاقة

تعتبر المواد مثل الهافنيوم بمثابة متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف، مما يعني أنها تستطيع تخزين البيانات لفترات طويلة من الزمن حتى بدون طاقة. تشير هذه الخصائص إلى أن هذه المواد قد تكون أساسية لتطوير تقنيات ذاكرة غير متطايرة جديدة. ستعمل تطبيقات الذاكرة غير المتطايرة المبتكرة على تخفيف الحرارة الناتجة عن النقل المستمر للبيانات إلى الذاكرة قصيرة المدى، مما يمهد الطريق لإنشاء أنظمة كمبيوتر أكبر وأسرع.

فهم السلوك الكهربائي للهافنيا

اكتشف العلماء ما إذا كان الغلاف الجوي يؤثر على قدرة الهافنيا على تغيير ترتيب شحنتها الداخلية استجابة للمجالات الكهربائية الخارجية. والغرض من ذلك هو شرح سلسلة من الظواهر غير العادية التي تم اكتشافها في أبحاث شيافو. نُشرت نتائج فريق البحث مؤخرًا في مجلة Nature Materials.

يقول كايل كيلي، الباحث في مركز علوم المواد النانوية التابع لـ ORNL: "لقد أظهرنا أخيرًا أن السلوك الفيروكهربائي في هذه الأنظمة مقترن بالسطح ويمكن ضبطه عن طريق تغيير البيئة الجوية المحيطة. وحتى الآن، كانت كيفية عمل هذه الأنظمة مسألة تكهنات، وهي فرضية تعتمد على ملاحظات عديدة من مجموعتنا ومجموعات متعددة حول العالم". CNMS هو مرفق المستخدم لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة. تعاون كيلي مع سيرجي كالينين من جامعة تينيسي، نوكسفيل، الذي أجرى التجارب وصمم المشروع.

تطبيقات الطبقة السطحية والذاكرة

غالبًا ما تحتوي المواد المستخدمة في تطبيقات الذاكرة على طبقة سطحية أو ميتة تؤثر على قدرة المادة على تخزين المعلومات. عندما يتم تقليص مادة ما إلى سمك بضعة نانومترات فقط، تصبح تأثيرات الطبقة الميتة شديدة بما يكفي لمنع خصائصها الوظيفية تمامًا. من خلال ضبط سلوك الطبقة السطحية، في الهافنيا، يسمح ذلك للمادة بالانتقال من الحالة الكهروحرارية المضادة إلى الحالة الكهروضوئية.

وقال كيلي: "في نهاية المطاف، توفر هذه النتائج وسيلة للنمذجة التنبؤية وهندسة أجهزة الهافنيوم، وهو أمر مطلوب بشدة نظرا لأهمية هذه المادة في صناعة أشباه الموصلات".

تتيح النمذجة التنبؤية للعلماء استخدام الأبحاث السابقة لتقدير خصائص وسلوك الأنظمة غير المعروفة. ركز البحث الذي أجراه كيلي وكالينين على سبائك الهافنيا الممزوجة بالزركونيا، وهي مادة خزفية. ومع ذلك، يمكن للأبحاث المستقبلية استخدام هذه النتائج للتنبؤ بكيفية سلوك ثاني أكسيد الهافنيوم عند مزجه مع عناصر أخرى.

طرق البحث والتعاون

اعتمد هذا البحث على مجهر القوة الذرية داخل صندوق القفازات وتحت الظروف المحيطة، بالإضافة إلى مجهر القوة الذرية فائق الفراغ، وهي الأساليب التي يمكن أن يوفرها CNMS.

وقال كيلي: "باستخدام القدرات الفريدة لـ CNMS، نحن قادرون على القيام بهذا النوع من العمل". "نحن نغير البيئة بشكل أساسي من الغلاف الجوي المحيط وصولاً إلى الفراغ العالي للغاية. وبعبارة أخرى، نقوم بإزالة جميع الغازات الموجودة في الغلاف الجوي بدرجة ضئيلة ثم نقيس تلك التفاعلات، وهو أمر يصعب القيام به للغاية."

لعب أعضاء الفريق في مرفق توصيف المواد بجامعة كارنيجي ميلون دورًا رئيسيًا في البحث من خلال توفير التوصيف المجهري الإلكتروني، وقاد المتعاونون في جامعة فيرجينيا جهود تطوير المواد وتحسينها.

أجرى ليو يونغتاو (باحث CNMS) من ORNL قياسات مجهرية لقوة الاستجابة الكهرضغطية البيئية. النظرية النموذجية التي تدعم هذا المشروع البحثي هي نتيجة بحث تعاوني طويل الأمد بين كالينين وآنا موروزوفسكا من معهد الفيزياء التابع للأكاديمية الوطنية للعلوم في أوكرانيا.

رؤى الفريق

وقال كالينين: "لقد كنت أتعاون مع زملائي في كييف في الفيزياء والكيمياء الكهروضوئية منذ ما يقرب من 20 عامًا". "لقد قاموا بالكثير من العمل على هذه الورقة تقريبًا على الخطوط الأمامية للحرب في ذلك البلد. وكان هؤلاء الأشخاص يقومون بالبحث العلمي في ظروف لا يستطيع معظمنا حتى تخيلها."

ويأمل الفريق أن تلهم النتائج التي توصلوا إليها بحثًا جديدًا يستكشف على وجه التحديد دور الكيمياء الكهربائية السطحية والكيميائية البينية - العلاقة بين التفاعلات الكهربائية والكيميائية.