(Actualités Nanowerk) Les matériaux ferroélectriques sont des substances à polarisation électrique spontanée. La polarisation fait référence à la séparation des charges négatives et positives au sein d'un matériau. Pour les matériaux ferroélectriques, cela signifie que la « mémoire » de l'état antérieur du matériau (appelée hystérésis) peut stocker des informations d'une manière similaire aux dispositifs de stockage magnétiques tels que les disques durs. Les matériaux ferroélectriques basés sur l'élément hafnium sont prometteurs car ils sont plus compatibles avec les circuits informatiques en silicium d'aujourd'hui que d'autres matériaux potentiels. Dans le passé, les chercheurs ont réalisé la ferroélectricité sur des films ultrafins. Ces films peuvent être délicats et difficiles à utiliser. Les scientifiques ont maintenant rapporté la première preuve expérimentale de la ferroélectricité à température ambiante dans des cristaux constitués d'un composé à base de hafnium, du dioxyde de hafnium dopé à l'yttrium (Nature Materials, "Ferroélectricité cinétiquement stabilisée dans du HfO monocristallin en vrac2:Oui"). La structure des cristaux de dioxyde de hafnia dopés à l'yttrium (partiellement ombré en orange) présente une polarisation ferroélectrique (flèches bleues) qui change de direction à mesure que le champ électrique externe est inversé. (Image : Laboratoire national d'Oak Ridge) Les matériaux ferroélectriques à base de Hafnia présentent de nombreux avantages pour la mémoire informatique. Ils offrent une vitesse élevée, une durabilité, une puissance de fonctionnement réduite et la possibilité de conserver les données lorsque l'alimentation est coupée. Cependant, les chercheurs ne comprennent pas pleinement ces matériaux. Cette recherche a permis de développer un matériau ferroélectrique innovant à base de hafnia. Les résultats donnent un aperçu du comportement de ces matériaux et de la manière de les contrôler. Les résultats suppriment également la limite supérieure de taille des matériaux, ce qui rend ces matériaux plus faciles à utiliser dans des applications réelles. La grande taille de l'échantillon facilitera d'autres expériences pour mieux comprendre les propriétés ferroélectriques du matériau. Cela aidera les chercheurs à créer des dispositifs de mémoire non volatile de nouvelle génération. Le cofondateur d'Intel, Gordon Moore, a postulé en 1965 que le nombre de transistors sur une puce informatique doublerait tous les deux ans, une prédiction connue sous le nom de loi de Moore. Depuis, les fabricants de puces ont réussi à maintenir ce taux de miniaturisation, mais sont confrontés à des défis croissants en raison des lois de la physique. Les matériaux ferroélectriques à base de Hafnia pourraient contribuer à miniaturiser davantage les dispositifs de mémoire non volatile, mais les chercheurs n'ont pas développé de forme massive de ce matériau. Le nouveau dioxyde de hafnium ferroélectrique dopé à l'yttrium développé dans cette recherche pourrait permettre un tel développement, conduisant à une utilisation accrue de l'hafnia sur les puces informatiques et à l'extension de la loi de Moore. Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université Rutgers a effectué des mesures de diffraction de neutrons sur poudre sur du dioxyde de hafnium dopé à l'yttrium à l'aide du POWGEN, un instrument diffractomètre sur poudre à usage général à la Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du Département de l'énergie (DOE) du Laboratoire national d'Oak Ridge ( ORNL). POWGEN est un diffractomètre à poudre de neutrons haute résolution qui permet de caractériser les structures cristallines, magnétiques et locales de nouveaux matériaux polycristallins. L’équipe a synthétisé des monocristaux de dioxyde de hafnium dopé à l’yttrium à différents niveaux de dopage à l’yttrium et les a broyés en poudre pour la caractérisation. Les données POWGEN ont montré qu'à certains niveaux de dopage, les phases globales étaient stables et les atomes d'oxygène se déplaçaient pour permettre une polarisation réversible, confirmant ainsi la ferroélectricité de la hafnia à température ambiante. D'autres mesures, notamment la boucle d'hystérésis du champ électrique de polarisation et des simulations informatiques, ont soutenu les analyses structurelles, représentant un pas en avant important vers les futures technologies basées sur l'hafnia.