Оксид для электроники

Диоксид циркония в виде тонких пленок или наночастиц перспективен для транзисторов и мемристоров, устройств энергонезависимой памяти нового поколения. Он хорошо совместим с кремнием, который составляет основу современной электроники.

При комнатной температуре диоксид — изолятор с моноклинной кристаллической решеткой, в которой мало кислородных вакансий. Выше 1100°С решетка ZrO₂ становится тетрагональной и приобретает большое количество кислородных вакансий. При высоких электрических напряжениях эти вакансии участвуют в проведении электрического тока через кристалл. Это физическое явление привлекает возможностью управлять током для записи и хранения больших объемов информации. Пока же электронщики не используют чистый диоксид циркония, поскольку в нем сложно получить тетрафазу.

Ученые из Института физики имени Киренского СО РАН и Сибирского федерального университета, руководимые доктором физико-математических наук Сергеем Васильевичем Карповым, разработали новую методику синтеза оксида циркония со стабильной тетрафазой при комнатной температуре. Наночастицы диоксида циркония получали в плазме инертного газа аргона с кислородом при давлении на порядки меньшем атмосферного.

Исследователи различными аналитическими методами изучили фазовый состав синтезированных наночастиц. Оказалось, что при размере менее 2 нанометров они содержали не только моноклинную, но и тетрагональную фазу, которая появилась при их быстрой закалке в процессе синтеза. С уменьшением давления в вакуумной камере и снижением концентрации кислорода доля тетрагональной фазы возрастала с 11 до 53%. Это вело к росту количества его вакансий, а других примесей фаза не содержала.

Физики также исследовали эффект резистивного переключения между двумя состояниями материала — изолирующим и проводящим электрический ток. Ученые подавали электрическое напряжение на кончик иглы микроскопа атомных сил, которая касалась нанопленки оксида на проводящей подложке. Циклическое изменение полярности напряжения, приложенного между иглой и подложкой, доказало существование двух состояний с высоким и низким сопротивлением.

Новая технология позволяет в промышленных масштабах синтезировать наночастицы оксида циркония со стабильной тетрафазой. Сейчас ученые исследуют, как присутствие кислородных вакансий сказывается на электрофизических и магнитных свойствах диоксида циркония. Статья о технологии опубликована в журнале Vacuum.