پژوهشگران رفتار جالبی را در دی‌اکسیدزیرکونیم مشاهده کردند که مسیر استفاده از آن‌ها در محصولاتی نظیر حافظه را هموار می‌کند.
کشف رفتار قابل پیش‌بینی در مواد مورد استفاده در حافظه
در چند سال اخیر، دسته‌ای از مواد به نام آنتی‌فروالکتریک به طور فزاینده‌ای برای کاربرد در حافظه کامپیوترهای مدرن مورد مطالعه قرار گرفته است. تحقیقات نشان داده است که حافظه‌های مبتنی بر ضد فروالکتریک ممکن است بازده انرژی بیشتر و سرعت خواندن و نوشتن سریع‌تر نسبت به حافظه‌های معمولی داشته باشند. علاوه بر این، همان ترکیباتی که می‌توانند رفتار ضد فروالکتریک از خود نشان دهند، در حال حاضر در فرآیندهای تولید تراشه‌های نیمه‌هادی موجود استفاده می‌شوند.
اکنون، تیمی به رهبری محققان موسسه فناوری جورجیا رفتار غیرمنتظره‌ای در ماده ضد فروالکتریک به نام دی اکسید زیرکونیوم یا زیرکونیا کشف کرده‌اند. آن‌ها نشان می‌دهند که با کاهش اندازه ریزساختار مواد، رفتاری مشابه با مواد فروالکتریک در این ذرات دیده می‌شود. این یافته‌ها در مجله Advanced Electronic Materials منتشر شده است.
کوچک‌سازی مدارها در پنجاه سال گذشته نقش کلیدی در بهبود عملکرد حافظه داشته است. دانستن اینکه چگونه خواص یک آنتی فروالکتریک با کوچک شدن اندازه تغییر می‌کند، طراحی اجزای حافظه موثرتر را ممکن می‌سازد.
محققان خاطرنشان می‌کنند که این یافته‌ها باید در بسیاری از زمینه‌های دیگر علاوه بر حافظه نیز تأثیر داشته باشد.
آنتی فروالکتریک‌ها دارای طیف وسیعی از خواص منحصر به فرد مانند قابلیت اطمینان بالا، استقامت ولتاژ بالا و دمای عملیاتی وسیع هستند که آن‌ها را در تعداد زیادی از دستگاه‌های مختلف از جمله خازن‌های با چگالی انرژی بالا، مبدل‌ها و مدارهای الکترواپتیک مفید می‌کند. نازنین بصیری غرب، نویسنده مقاله و استاد دانشکده مهندسی مکانیک وودراف و دانشکده علوم و مهندسی مواد در جورجیا تک، گفت: «شما می توانید دستگاه خود را طراحی کنید و آن را کوچکتر کنید و دقیقاً بدانید که مواد چگونه کار می کند.»
ویژگی بارز مواد ضد فروالکتریک، واکنش عجیب آن به یک میدان الکتریکی خارجی است. این پاسخ ترکیبی از ویژگی‌های مواد غیر فروالکتریک و فروالکتریک است که به شدت در فیزیک و علم مواد مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.
برای فروالکتریک، قرار گرفتن در معرض یک میدان الکتریکی خارجی با قدرت کافی باعث می شود که ماده به شدت قطبی شود. حتی زمانی که میدان الکتریکی خارجی حذف می‌شود، این قطبش ادامه می‌یابد، شبیه به اینکه چگونه یک میخ آهنی می‌تواند برای همیشه مغناطیسی شود.
رفتار یک ماده فروالکتریک به اندازه آن نیز بستگی دارد. همانطور که یک نمونه از مواد نازک‌تر می‌شود، مطابق با یک قانون دقیق و قابل پیش‌بینی به نام قانون Janovec-Kay-Dunn (JKD) به میدان الکتریکی قوی‌تری برای ایجاد یک قطبش دائمی نیاز است.
در مقابل، اعمال میدان الکتریکی خارجی به یک ضد فروالکتریک در ابتدا باعث قطبی شدن آن نمی‌شود. با این حال، با افزایش قدرت میدان خارجی، یک ماده ضد فروالکتریک در نهایت به فاز فروالکتریک سوئیچ می‌کند.
در این کار جدید، محققان دریافتند که ضد فروالکتریک‌های زیرکونیایی نیز از چیزی شبیه به قانون JKD تبعیت می‌کنند. با این حال، بر خلاف فروالکتریک، ریزساختار مواد نقش کلیدی ایفا می‌کند. قدرت میدان بحرانی در الگوی JKD به طور خاص متناسب است با اندازه ساختارهایی که به‌عنوان کریستالیت‌های درون ماده شناخته می‌شوند. برای یک کریستالیت کوچکتر، یک میدان بحرانی قوی‌تر لازم است تا یک ماده ضد فروالکتریک به فاز فروالکتریک آن تبدیل شود، حتی اگر نازکی نمونه ثابت بماند.
آصف‌خان گفت: «قانون پیش‌بینی‌کننده‌ای وجود نداشت که نشان دهد چگونه ولتاژ سوئیچینگ با کوچک‌سازی این دستگاه‌های اکسید ضد فروالکتریک تغییر می‌کند.»
به گفته محققان، پیش از این، تولید ضد فروالکتریک‌های نازک در اندازه‌های مشابه فروالکتریک دشوار بود. نجحت تسنیم، دانشجوی دکترا که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، به گفته خان «روز و شب» را در آزمایشگاه گذراند تا فیلم‌های اکسید زیرکونیوم ضد فروالکتریک بدون نشتی با اندازه تک نانومتری را پردازش و تولید کند. به گفته خان، گام بعدی این است که محققان دقیقاً چگونگی کنترل اندازه کریستالیت را بیابند و از این طریق خواص مواد را برای استفاده در مدارها تنظیم کنند.
این گروه با محققان دانشگاه چارلز در جمهوری چک و دانشگاه آندرس بلو در شیلی برای تعیین مشخصات پراش اشعه ایکس و محاسبات مبتنی بر اصول اولیه همکاری کردند.
