فريق أمريكي يؤكد أن أكسيد الهافنيوم يمتلك خصائص مضادة للكهرباء الحديدية جوهرية

أخبار ar.wedoany.com، في 25 سبتمبر، أعلن فريق بحثي من جامعة نبراسكا-لينكولن الأمريكية أنه تأكد من خلال التوصيف البنيوي والاختبارات الكهربائية والحسابات النظرية أن أكسيد الهافنيوم يمتلك خصائص مضادة للكهرباء الحديدية جوهرية. ونُشرت الدراسة ذات الصلة في مجلة «Science»، حيث رصد الفريق شبيكة استقطابية متضادة التوازي واستجابة كهربائية ثنائية التخلفية وواجهات طورية استقطابية في أغشية رقيقة أحادية البلورة من أكسيد الهافنيوم مثبتة بإجهاد انضغاطي، مما حقق تحققاً مباشراً من البنية المضادة للكهرباء الحديدية والسلوك الكهربائي لهذه المادة.

استخدم البحث طريقة الترسيب بالليزر النبضي لتحضير أغشية رقيقة فائقة الرقة من أكسيد الهافنيوم على ركيزة بلورية، مع تثبيت بنيته البلورية المضادة للاستقطاب عبر الإجهاد الانضغاطي الناتج عن الركيزة. وأظهرت التجارب أنه مع انخفاض سماكة الغشاء، لم تضعف البنية المضادة للكهرباء الحديدية، وظلت مستقرة عند انخفاض السماكة إلى نحو 0.6 نانومتر؛ كما أكد الفريق البحثي أن هذه البنية تظل قادرة على البقاء عند درجات حرارة تصل إلى 850 درجة مئوية.

في الاختبارات الكهربائية، يمكن لأكسيد الهافنيوم أن يتحول من الحالة المضادة للاستقطاب إلى الحالة المستقطبة تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، ويُظهر منحنى تخلفية مزدوجاً نموذجياً للمواد المضادة للكهرباء الحديدية. واستُخدمت تقنية المجهر الماسح للمجس للتحقق من تبديل حالة الاستقطاب، بينما رصد المجهر الإلكتروني عالي الدقة مباشرةً الإزاحات الذرية المتضادة التوازي داخل البلورة، وتوافقت نتائج الحسابات النظرية مع المشاهدات التجريبية.

حملت الورقة عنوان «Antiferroelectric hafnia down to the 2D limit»، وكان موضوع الدراسة أغشية رقيقة فوقية التنامي من أكسيد الهافنيوم ذات التوجه البلوري (111). وأكد الفريق أن الطور المعيني المضاد للاستقطاب يتوافق مع نموذج Kittel للمواد المضادة للكهرباء الحديدية، وأثبت أن هذا البنية المنتظمة يمكن أن تمتد إلى ما يقارب الحد ثنائي الأبعاد.

يُستخدم أكسيد الهافنيوم حالياً على نطاق واسع في أجهزة أشباه الموصلات المتقدمة، ويمتلك أساساً مادياً متوافقاً مع منظومة تصنيع CMOS. وتتميز الحالة المضادة للكهرباء الحديدية التي تحقق منها هذا البحث بخصائص تبديل استقطابي مدفوع بالمجال الكهربائي، ويمكن مواصلة استخدامها في بحوث أجهزة المكثفات عالية الكثافة والذاكرات غير المتطايرة والتبريد الصلب. ولا تزال النتائج الحالية في مرحلة التجارب على المواد والأغشية الرقيقة، ولم تنشر الورقة كثافة الطاقة أو كثافة القدرة أو عمر الدورات أو الجدول الزمني للإنتاج الكمي لأجهزة تخزين الطاقة التجارية.