Новый класс материалов для будущей наноэлектроники

В настоящее время активно развивается область двумерных сегнетоэлектрических материалов со слоистыми ван-дер-ваальсовыми кристаллическими структурами: нового класса низкоразмерных материалов, которые очень интересны для будущего наноэлектроники.

Статья Университета Нового Южного Уэльса, опубликованная недавно в Nature Reviews Materials, представляет захватывающий обзор развивающейся области двумерных сегнетоэлектрических материалов со слоистыми ван-дер-ваальсовыми кристаллическими структурами: нового класса низкоразмерных материалов, которые очень интересны для будущего наноэлектроники.

Будущие приложения включают в себя электронику со сверхнизким энергопотреблением, высокопроизводительное энергонезависимое хранилище данных, оптоэлектронику с высоким откликом и гибкую (собирающую энергию или носимую) электронику.

Структурно отличные от обычных оксидных сегнетоэлектриков с жесткими решетками, сегнетоэлектрики Ван-дер-Ваальса (ВДВ) имеют стабильные слоистые структуры с сочетанием сильных внутрислойных и слабых межслоевых сил.

Это особое расположение атомов в сочетании с сегнетоэлектрическим порядком приводит к принципиально новым явлениям и функциям, которых нет в обычных материалах.

«Фундаментально новые свойства обнаруживаются, когда эти материалы расслаиваются до атомарно тонких слоев», — говорит автор, доктор Давэй Чжан. «Например, происхождение поляризации и механизмы переключения полярного порядка могут отличаться от обычных сегнетоэлектриков, что обеспечивает функциональность нового материала».

Одним из наиболее интригующих аспектов этих материалов является их легкость компоновки из-за слабых ван-дер-ваальсовых межслойных связей, что означает, что сегнетоэлектрики ВДВ легко интегрируются с материалами с сильно различающимися кристаллическими структурами, такими как промышленные кремниевые подложки, без межфазных проблем.

«Это делает их очень привлекательными в качестве строительных блоков для электроники после закона Мура», — говорит автор, профессор Ян Зайдель, также из Университета Нового Южного Уэльса.

С точки зрения приложений и новых функций сегнетоэлектрики ВДВ представляют широкий спектр возможностей для наноэлектроники благодаря их легко получаемому сегнетоэлектричеству в наномасштабе, а также свободным от свободных связей чистым интерфейсам ВДВ, которые облегчают совместимую с CMOS (современную кремниевую технологию) интеграцию.

В новом обзоре обсуждаются экспериментально проверенные сегнетоэлектрические системы ВДВ и их уникальные характеристики, такие как четырехъямный потенциал, металлическое сегнетоэлектричество и эффекты дипольной блокировки. В нем также обсуждается инженерное сегнетоэлектричество ВДВ в стопках неполярных исходных материалов, созданных путем искусственного нарушения центросимметрии.

Кроме того, демонстрируются инновационные устройства, использующие ферроэлектричество ВДВ, в том числе электронные транзисторы, способные преодолевать фундаментальные термодинамические ограничения, энергонезависимая память, а также оптоэлектронные и гибкие устройства. Недавний прогресс и существующие проблемы дают представление о будущих направлениях исследований и приложениях.

«Это относительно новая область, поэтому есть еще много проблем, которые необходимо решить, чтобы реализовать весь технологический потенциал этих материалов», — говорит автор доктор Панкадж Шарма. «Например, нам нужно решить вопрос о больших площадях, равномерном росте в масштабе пластины и методах интеграции. Это позволит разработать футуристические низкоэнергетические электронные и вычислительные решения».

Учитывая недавнее появление сегнетоэлектриков ВДВ, библиотека материалов для таких систем быстро расширяется. Это оставляет место для новых разработок, таких как мультиферроичность и связанные функциональные возможности нескольких порядков, например, сегнетоэлектричество и магнетизм, а также функциональность доменных стенок в таких материалах.

Источник: Dawei Zhang, Peggy Schoenherr, Pankaj Sharma, Jan Seidel. Ferroelectric order in van der Waals layered materials. Nature Reviews Materials, 2022; DOI: 10.1038/s41578-022-00484-3