Ученые обнаружили необычное свойство диоксида титана при толщине менее 3 нанометров

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли обнаружили необычное поведение диоксида титана (TiO₂). Материал, который в обычном состоянии является диэлектриком и не обладает сегнетоэлектрическими свойствами, начинает проявлять их при уменьшении толщины пленки примерно до 3 нанометров.

Ученые изготовили пленки TiO₂ толщиной от 1 до 10 нанометров методом атомно-слоевого осаждения. По мере уменьшения материала его кристаллическая решетка постепенно деформировалась, а после прохождения порога примерно в 3 нанометра изменение структуры становилось достаточно сильным для появления переключаемой электрической поляризации.

Особенно интересно, что сегнетоэлектрические свойства сохранялись даже в пленке толщиной всего около 1 нанометра — это лишь несколько атомных слоев. Результаты подтвердили несколькими независимыми методами, включая рентгеновские исследования, пьезоэлектрическую силовую микроскопию и электрические измерения.

Обычно миниатюризация создает для сегнетоэлектриков противоположную проблему: по мере уменьшения толщины материала необходимые свойства начинают ослабевать или полностью исчезают. В случае TiO₂ уменьшение размеров, напротив, само вызывает переход в новое состояние.

Это делает открытие потенциально интересным для полупроводниковой промышленности. Сегнетоэлектрические материалы способны изменять поляризацию под действием электрического поля при сравнительно небольших напряжениях, благодаря чему рассматриваются в качестве основы для энергоэффективной памяти и логических схем.

Дополнительным преимуществом является сам диоксид титана — хорошо изученный и уже широко используемый материал, который можно наносить непосредственно на кремний и аморфные поверхности при температурах ниже 400 °C. Теоретически это может упростить его интеграцию в существующие технологические процессы производства микросхем.

До практического применения технологии, впрочем, еще далеко. Исследователям предстоит проверить долговечность материала, стабильность переключения и его характеристики в реальных электронных устройствах. Одновременно команда намерена искать другие вещества, которые также могут приобретать новые полезные свойства исключительно благодаря уменьшению их размеров до атомарного масштаба.