Ученые разработали методику, позволяющую получить наноструктурные материалы на основе диоксида циркония с большим количеством кислородных вакансий — участков, вовлеченных 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.
Рисунок 1. Рабочее место при исследовании образцов на атомно-силовом микроскопе. Изображение предоставлено пресс-службой РНФ
Диоксид циркония в виде тонких пленок 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 пленок или наночастиц диоксид циркония несет 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 решетка диоксида циркония принимает так называемую тетрагональную фазу. При этом при понижении температуры до комнатной материал возвращается в состояние с малым числом кислородных вакансий.
Рисунок 2. Измерительная головка атомно-силового микроскопа. Изображение предоставлено пресс-службой РНФ
Ученые из Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» (Красноярск) 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 разреженным получался воздух в камере и тем меньше в ней была концентрация кислорода.
Рисунок 3. Схема процесса резистивного переключения. Изображение предоставлено пресс-службой РНФ
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, ученые смогли получить устойчивый проводящий элемент. Разработанная технология позволит синтезировать нужную фазу оксида циркония в промышленных масштабах.
Рисунок 4. Микрофотография поверхности образца оксида циркония. Изображение предоставлено пресс-службой РНФ
«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 Федоров, научный сотрудник Красноярского научного центра СО РАН.
Информация и фотоизображения предоставлены пресс-службой Российского научного фонда