فیلم‌های نازک مبتنی بر هافنیم با ضخامت چند نانومتر، شکل غیرمتعارفی از فروالکتریک را نشان می‌دهند. این ویژگی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا حافظه‌‌ها یا دستگاه‌های منطقی با ابعاد نانومتری بسازند با این حال، برای محققان مشخص نبود که خاصیت فروالکتریکی می‌تواند در این مقیاس رخ دهد.
گشودن رمز و راز خاصیت فروالکتریک در فیلم‌های لایه‌نازک هافنیم
مطالعه‌ای که توسط دانشمندان دانشگاه گرونینگن انجام شده نشان داده است که چگونه اتم‌ها در یک خازن مبتنی بر هافنیم حرکت می‌کنند. مهاجرت اتم‌های اکسیژن (یا حفره‌ها) مسئول سوئیچ و ذخیره‌سازی بار هستند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای در مجله Science به چاپ رسیده است.
مواد فروالکتریک قطبی شدن خود به خودی را نشان می‌دهند که می‌تواند با استفاده از یک میدان الکتریکی، معکوس یا سوئیچ شود. این موضوع در ساخت حافظه‌های غیرفرار یا ساخت ادوات منطقی استفاده می‌شود. یک اشکال در این مواد آن است که وقتی اندازه بلورها به زیر حد معینی کاهش می‌یابد، خواص فروالکتریک از بین می‌رود. با این حال، چند سال قبل محققان دریافتند که اکسیدهای مبتنی بر هافنیم می‌توانند خاصیت فروالکتریکی را در ابعاد نانومقیاس نشان دهند.
در سال ۲۰۱۸، تیمی به سرپرستی دانشگاه گرونینگن، این ویژگی‌های خاص اکسیدهای هافنیم را تأیید کردند. نوهدا از محققان این پروژه می‌گوید: «ما دقیقاً نمی‌دانستیم که این ویژگی فروالکتریک چگونه رخ داده است. ما می‌دانستیم که ساز و کار در این غشاهای نازک مبتنی بر هافنیم متفاوت است. از آنجایی که سوئیچینگ فروالکتریک چیزی است که در مقیاس اتمی اتفاق می‌افتد، ما تصمیم گرفتیم با استفاده از منبع اشعه ایکس قدرتمند در سنکروترون MAX-IV در لوند و هم با میکروسکوپ الکترونی در گرونینگن بررسی کنیم که چگونه ساختار اتمی این ماده به یک میدان الکتریکی پاسخ می‌دهد.»
پروتکل‌های مناسب برای ساخت خازن‌های شفاف الکترونی بر پایه هافنیم با استفاده از پرتوی یون متمرکز توسط مجید احمدی و نوکالا (هر دو از محققان این پروژه) تهیه شده‌است. نوکالا توضیح می‌دهد: «ما از شبکه اتمی اکسید هافنیوم زیرکونیوم بین دو الکترود از جمله اتم‌های اکسیژن سبک تصویربرداری کردیم. بسیاری معتقد بودند که جابجایی اتم اکسیژن در هافنیم باعث دو قطبی شدن می‌شود. ما یک ولتاژ خارجی به خازن وارد کردیم و تغییرات اتمی را در زمان واقعی مشاهده کردیم. چنین آزمایش درجا با تصویربرداری مستقیم از اتم‌های اکسیژن در داخل میکروسکوپ الکترونی هرگز انجام نشده بود.»
وی می‌افزاید: «یک ویژگی قابل توجه که مشاهده کردیم حرکت اتم‌های اکسیژن است. آنها به دنبال میدان الکتریکی بین الکترودها از طریق لایه هافنیم مهاجرت کردند. چنین انتقال بار برگشت‌پذیری، خاصیت فروالکتریکی را امکان‌پذیر می‌کند.
البته یک تغییر کوچک در موقعیت‌های اتمی در مقیاس پیکومتر در داخل سلول‌های واحد نیز وجود دارد اما تأثیر کلی مهاجرت اکسیژن از یک طرف به طرف دیگر روی واکنش دستگاه بسیار بیشتر است. این کشف، راه را برای تولید مواد جدیدی که می‌تواند برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی و منطقی در اندازه نانومتر استفاده شود، هموار می‌کند. نوکالا می‌گوید: «حافظه‌های فروالکتریک مبتنی بر هافنیوم در حال تولید هستند، حتی اگر مکانیسم رفتار آنها ناشناخته باشد. ما اکنون راه را به سمت تولید نسل جدیدی از مواد فروالکتریک هموار کردیم.»
