Only Perception: 直接在矽上製造鐵電氧化物

2009-04-21

直接在矽上製造鐵電氧化物

Putting the squeeze on an old material could lead to 'instant on' electronic memory
http://www.physorg.com/news159110924.html

April 16th, 2009

儲存電子資訊的技術 -- 從老舊的錄音帶到閃亮的筆電 -- 幾十年來在電子產業中一直都是主力。

低價、高效能的電子記憶體可能會是一項合作研究的長期結果，該研究由康乃爾材料科學家 Darrell Schlom 所領軍。這項研究，將發表在 4/17 的 Science 期刊中（Vol. 324 No. 5925），涉及取得一種眾所皆知的氧化物，鈦酸鍶（strontium titanate，SrTiO3），並以某種方法將其沈積在矽上，矽會將其擠壓成一種特殊狀態，稱為鐵電性（ferroelectric，當名詞用為鐵電質、鐵電體） -- 此結果或能證明為次世代記憶裝置的關鍵。

鐵電材料可在今日廣為地鐵及滑雪名勝所用的「智慧卡」中找到。這種信用卡大小的裝置以鋯鈦酸鉛（lead zirconium titanate）或鉭酸鍶鉍（strontium bismuth tantalate）這類鐵電材料製成，那使用非常小的電力就能在不同記憶狀態間切換。當卡片在讀取器前面揮動時，卡中微小的微波天線就會揭露或新已儲存的資訊。

科學家想在電晶體中使用鐵電材料已超過半個世紀，那能導致「立即開啟」的運算 -- 不用再重新啟動作業系統，或緩慢地從硬碟取出記憶。尚未有人能完成一種可用的鐵電電晶體。

"增加新功能到電晶體能導致改良過的運算與裝置，其功率較低、速度較快、使用上也更便利，" Schlom 說，材料科學與工程教授。"有幾種已提出的混種電晶體，特別考慮到鐵電質。藉由直接在矽上創造出鐵電性，我們正使得這種可能性更靠近真實。"

通常，當鈦酸鍶在其鬆弛狀態下，於任何溫度中都不具有鐵電性。然而，研究者已證明這種氧化物的超薄薄膜 -- 只有幾個原子厚 -- 當原子擠著原子以便與位於其下之矽原子間的空隙相符時，會變得具有鐵電性。

"改變原子間的間隔約 1.7%，將大幅改變鈦酸鍶的特性，並將它轉變成一種具有有用記憶特性的材料，" Long-Qing Chen 表示，賓州州立大學材料科學與工程教授，該研究團隊的成員之一，他的計算在五年前就預測被觀察到的行為。

Schlom 稱此研究為「理論導向研究（theory-driven research）」的一個好例子。

"來自於各種預測，某些日期可回溯近十年，我們確切知道之後我們會有什麼，不過那花了我們團隊幾年的時間才辦到，並證明所預測的效應，" 他說。

研究者描述成功地運用分子束磊晶（molecular-beam epitaxy，這種技術近似原子的噴畫）讓鈦酸鍶在矽上生長 -- 這種半導體差不多能在所有電子裝置中找到。

"技術上的牽連相當驚人，" Jeremy Levy 說，Pittsburgh 大學物理與文學教授，研究團隊成員，其測量證明在矽上薄薄一層鈦酸鍶具有鐵電性。

※ 相關報導：

＊ A Ferroelectric Oxide Made Directly on Silicon
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/324/5925/367

Maitri P. Warusawithana, Cheng Cen, Charles R. Sleasman,
Joseph C. Woicik, Yulan Li, Lena Fitting Kourkoutis,
Jeffrey A. Klug, Hao Li, Philip Ryan, Li-Peng Wang,
Michael Bedzyk, David A. Muller, Long-Qing Chen, Jeremy Levy,
Darrell G. Schlom
Science 17 April 2009: Vol. 324. no. 5925, pp. 367 - 370
doi: 10.1126/science.1169678