Discovery خاصیت الکتریکی نادر و قابل تعویض را در مواد الکترونیکی که به طور گسترده استفاده می شود تأیید می کند

توسط تیفانی لی، دانشگاه نبراسکا-لینکلن

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

جدیدترین تحقیقات یک تیم تحقیقاتی Husker می‌تواند راه را برای استفاده گسترده‌تر از دسته‌ای از مواد باز کند که خواص الکتریکی آنها ممکن است روزی انرژی الکترونیکی نسل بعدی، ذخیره انرژی با چگالی بالا، بهبود حافظه کامپیوتر و استراتژی‌های جدید برای خنک‌سازی را تامین کند.

در مقاله جدید منتشر شده در Science، محققان دانشگاه نبراسکا-لینکلن، شیائوشان ژو، الکسی گروورمن و اوگنی تسیمبال نشان دادند که اکسید هافنیوم - یک ترکیب شیمیایی سخت و مقاوم در برابر حرارت که به طور گسترده در الکترونیک مدرن استفاده می شود - ذاتا ضد فروالکتریک است، کیفیت کمیاب که در مواد بسیار کمی یافت می شود. برخلاف اکسید هافنیوم، که به عنوان هافنیا نیز شناخته می شود، بسیاری از مواد ضد فروالکتریک ذاتی حاوی سم سرب هستند که استفاده گسترده از آنها را محدود می کند.

این سه نفر گفتند که این کشف به حل یک بحث طولانی مدت در مورد خواص هفنیا کمک می کند. اگرچه دانشمندان مدت‌هاست که رفتار ضد فروالکتریک این ماده را مشاهده کرده‌اند، اما در مورد اینکه آیا این رفتار ناشی از ضد فروالکتریکی «واقعی» است یا از اثر مصنوعی ناشی از به دام افتادن یا توزیع مجدد بارهای الکتریکی، اختلاف نظر دارند.

خو، سوزان جی. روزوفسکی، استاد فیزیک و نجوم، نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: «مقاله بسیار هیجان‌انگیز است. ما نه تنها این ماده جدید را با ضد فروالکتریکی ذاتی کشف کرده‌ایم، بلکه این ماده در حال حاضر با وسایل الکترونیکی مدرنی که در حال حاضر داریم، از جمله تلفن‌های همراه و رایانه‌هایمان، سازگار است.

این مقاله یک قدم فراتر می رود و نشان می دهد که هافنیا ممکن است به عنوان نمونه اولیه آنتی فروالکتریک عمل کند، به این معنی که می تواند کلاس مواد را برای اهداف آموزشی و تحقیقاتی نشان دهد. ترکیب آن با تعریف کلاسیک ضد فروالکتریک مطابقت دارد: اتم های مثبت و منفی ماده توسط اتم های خنثی از هم جدا می شوند.

یک ماده ضد فروالکتریک دارای قطبش های الکتریکی کوچک مثبت و منفی است که به طور طبیعی در جهت مخالف قرار می گیرند و تا حد زیادی یکدیگر را خنثی می کنند. هنگامی که یک ولتاژ خارجی اعمال می شود، به عنوان یک کلید عمل می کند و مواد را از خنثی الکتریکی به قطبی تبدیل می کند تا زمانی که شارژ حذف شود.

این «تغییرپذیری» ارزشمند است زیرا مواد را قادر می‌سازد انرژی را جذب و آزاد کند، دما را تغییر دهد و اطلاعات را ذخیره کند.

کاربردهای آینده می تواند شامل خازن های با کارایی بالا باشد که به کوچک شدن اندازه قطعات و دستگاه های الکترونیکی کمک می کند. سیستم های خنک کننده حالت جامد که فشرده تر هستند و کمتر به مبردهای مضر برای محیط زیست وابسته هستند. و کامپیوترهایی با حافظه بهتر به دلیل ذخیره سازی انرژی کارآمد و دسترسی به داده ها.

نشان دادن ضد فروالکتریکی ذاتی هافنیا یک تلاش بین رشته ای بود. Xu، متخصص در رشد لایه های نازک، از رسوب لیزر پالسی در مرکز مواد و علوم نانو نبراسکا برای ایجاد یک لایه بسیار نازک از اکسید هافنیوم بر روی یک کریستال زیرین استفاده کرد. کریستال هافنیا را فشرده کرد و آرایش اتمی را تثبیت کرد که ضد فروالکتریکی ایجاد می کند.

ماده به دست آمده با این باور رایج که با نازک‌تر شدن یک ماده، نظم ضد فروالکتریک آن ضعیف‌تر می‌شود یا به کلی ناپدید می‌شود، مقابله کرد. برعکس، هافنیای خو ساختار ضد فروالکتریکی پایدار و فزاینده‌ای را با نازک‌تر شدن لایه نشان داد – روندی که تا ضخامت 0.6 نانومتر ادامه داشت. فیلم تا 850 درجه سانتیگراد (1562 درجه فارنهایت) ثابت ماند.

سیمبال، پروفسور جورج هلمز در فیزیک و نجوم، می‌گوید: «آنچه در این کار قابل توجه است این است که حتی در کریستال تک‌لایه، می‌توانید ضد فروالکتریسیته را حفظ کنید، و حتی آن را به طور نسبتا مؤثری افزایش دهید». ما نشان دادیم که اگر یک تک کریستالی با کیفیت بسیار بالا پرورش دهید، در واقع خاصیت ذاتی ضد فروالکتریک را خواهید داشت.

گروورمن، استاد فیزیک دانشگاه چارلز ماخ، در میکروسکوپ کاوشگر روبشی و اندازه‌گیری‌های الکتریکی یکپارچه برای تأیید اینکه فیلم هافنیای خو می‌تواند از حالت‌های پادقطبی به حالت قطبی تبدیل شود، تخصص داشت.

او تأیید کرد که این ماده هر سه شاخه ضد فروالکتریسیته را نشان می‌دهد: حلقه متمایز "پسماند مضاعف" که به مواد اجازه می‌دهد به سرعت انرژی ذخیره و آزاد کنند. زیرشبکه های ضد موازی که نشان دهنده دوقطبی های الکتریکی همسایه هستند. و مرزهای بین فازی که مرزهای بین مناطق قطبی های مختلف هستند.

او گفت: «به نظر من این یک نقطه عطف است. اکنون، ما می توانیم هافنیا را به عنوان یک آنتی فروالکتریک واقعی طبقه بندی کنیم. شواهد بسیار قانع کننده هستند.

سیمبال تأیید نظری یافته های تجربی خو و گروورمن را ارائه کرد. او با استفاده از منابع مرکز محاسبات هلند، همسویی بین مدل های نظری مواد و رفتار مشاهده شده آن را نشان داد.

روهان میشرا در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس در طراحی مواد در سطح اتمی تخصص داشت: با استفاده از یک میکروسکوپ پرقدرت، او به صورت بصری تایید کرد که مواد Xu بی عیب و نقص است.

Xu، Gruverman و Tsymbal همگی اعضای MRSEC جدید - به نام Atomically Engineered Materials یا AtEM - هستند و پیش‌بینی می‌کنند که ذهنیت علمی تیم آنها اکتشافات بیشتری را به همراه داشته باشد.

خو گفت: «یک چیز که نبراسکا را متمایز می کند این است که ما بسیار بسیار نزدیک با هم همکاری می کنیم. به عنوان مثال، برای این مقاله، من حتی نمی‌دانم چند نمونه درست کردیم و بلافاصله به آزمایشگاه الکسی فرستادیم، و سپس با اوگنی صحبت کردیم.

Xin Li و همکاران، هافنیای ضد فروالکتریک تا حد دو بعدی، علم (2026). DOI: 10.1126/science.ady5526

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →