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一个多功能薄膜研究小组的成员发表了两项里程碑式的研究，解释了如何设计和提高与主流半导体兼容的铁电氧化铪的稳定性。他们的研究推动了半导体行业通过在集成电路中共同定位计算和存储元件来节省计算能源的雄心壮志。
用于计算的能量正以指数速度增长。商业情报和咨询公司Enerdata报告称，信息、通信和技术占全球总用电量的5%至9%。
如果增长继续保持不变，到2030年，计算可能需要世界20%的发电量。由于电网已经受到天气相关事件的影响，经济从化石燃料过渡到可再生能源，工程师们迫切需要压平计算的能源需求曲线。
Jon Ihlefeld多功能薄膜小组的成员正在研究一种材料系统，该系统将允许半导体行业在单个芯片上共同定位计算和内存。
弗吉尼亚大学工程与应用科学学院材料科学与工程、电气与计算机工程副教授伊赫菲尔德说：“现在，我们有一块计算机芯片，它可以用一点点内存进行计算活动。”
每次计算机芯片想与较大的内存库进行通信时，它都会向线路发送一个信号，这需要能量。距离越长，消耗的能量就越多。如今，距离可能相当远，高达几厘米。
Ihlefeld说：“在一个完美的世界里，我们会让他们彼此直接接触。”
这需要与集成电路其余部分兼容的存储材料。适用于存储设备的一类材料是铁电材料，这意味着它们可以根据需要保持和释放电荷。然而，大多数铁电材料与硅不兼容，当制作得非常小时，性能不好，这是现代和未来小型化设备的必要条件。
Ihlefeld实验室的研究人员正在扮演媒人的角色。他们的研究推动了具有电学和光学特性的材料，使现代计算和通信成为可能，这是材料科学与工程系的一个研究力量。他们还专门从事一系列材料的制造和表征，这是Charles L.Brown电气和计算机工程系的研究力量。
他们感兴趣的材料是氧化铪，它现在用于制造手机和电脑。缺点是，在其自然状态下，氧化铪不是铁电的。
在过去的11年里，人们已经知道，可以操纵氧化铪的原子来产生和保持铁电相或结构。当氧化铪薄膜被加热（称为退火）时，其原子可以移动到铁电材料的结晶模式中；当薄膜冷却时，它的晶体结构就固定下来了。
铁电相的形成原因一直是人们猜测的话题。今年获得UVA材料科学工程博士学位的谢尔比·菲尔兹（Shelby Fields）发表了一项具有里程碑意义的研究，解释了氧化铪如何以及为什么会形成有用的铁电相。
Fields的论文《通过铁电氧化铪锆薄膜中的钳位效应实现铁电相稳定的起源》（Origin of Ferrelectric Phase Stabilization via the Clamping Effect in Ferrelectic Hafnium Zirconium Oxide Thin Films）于8月发表在《高级电子材料》（Advanced Electronic Materials）杂志上，该论文阐述了当氧化铪基薄膜夹。先前的研究发现，当顶部电极用于热退火和冷却时，更多的薄膜在铁电晶体相中稳定。
菲尔兹说：“界内为什么会对此有各种各样的解释，结果证明我们错了。我们认为，顶部电极施加了某种机械应力，横向辐射穿过电极平面，从而阻止了氧化铪伸出并返回其自然的非铁电状态。我的研究表明，机械应力移出平面；电极具有夹紧效应。”
整个三明治（基板、薄膜和电极）是一个电容器，这一发现很可能会改变半导体制造商选择作为电极的材料。
菲尔兹说：“现在我们明白了为什么顶层是一个如此重要的考虑因素。归根结底，想要在一块芯片上集成计算和内存的人们必须更加仔细地考虑所有的处理步骤。”
菲尔兹的论文总结了论文研究的结论章节。在之前发表的研究中，Fields演示了测量非常薄的薄膜和机械应力的技术；这种微小的材料使应力测量实验变得困难。
菲尔兹说：“我们想超越轶事描述，提供数据来支持我们对材料行为的描述。我很高兴我们能够为界内提供关于这种夹持效应的更清晰的信息。我们知道顶层很重要，我们可以设计顶层来改善夹持效应，也许还可以设计底层来帮助实现这种效果。利用单个实验变量控制晶相的能力将是半导体的巨大优势或字段。我希望有人能问和回答这个问题。”
这个人可能是萨曼莎·贾泽夫斯基，他是材料科学与工程的博士生，也是伊赫菲尔德多功能薄膜研究小组的成员。Jaszewski还想了解什么有助于氧化铪铁电相的稳定性，以及芯片设计者如何控制材料的行为。
Jaszewski的研究重点是氧化铪在其自然相和铁电相的原子构成，特别关注氧原子的作用。她的里程碑式研究《氧含量对反应性高功率脉冲磁控溅射沉积的氧化铪薄膜的相组成和铁电行为的影响》发表在2022年10月的《材料学报》上。
氧化铪，顾名思义，是由铪和氧原子组成的。Jaszewski说：“有时我们在某些地方缺少了氧原子，这有助于稳定铁电相。”
自然的非铁电状态可以容忍大量的氧空位，但不足以稳定铁电相。氧化铪铁电体中氧空位的精确浓度和位置已被证明是难以捉摸的，因为目前还没有很多工具可以进行明确的测量。
Jaszewski通过使用几种不同的技术来测量团队薄膜中的氧空位，并将其与铁电性能相关联，从而解决了这个问题。她发现，铁电相需要的氧空位数量比以前认为的要多得多。
X射线光电子能谱是计算氧空位浓度的常用工具。Jaszewski发现，除了这种光谱技术的使用者通常测量的因素外，还有其他因素，导致氧空位的大量低估。
Jaszewski的实验还表明，氧空位可能是（如果不是）稳定材料铁电相的最重要参数之一。需要做更多的研究来了解空缺是如何存在的。她还希望其他研究团队使用她的方法测量氧空位，以验证她的发现。
Jaszewski的研究推翻了传统观点，传统观点认为晶体的大小（称为颗粒）是稳定氧化铪的原因。Jaszewski制作了三个具有相同粒度和不同氧空位浓度的样品。她的研究表明，这些样品中存在不同的相，从而得出结论，氧空位浓度比晶粒尺寸更重要。
Jaszewski首先撰写了这篇论文，该论文由小组成员Fields和Salanova与UVA内外许多研究小组的合作者共同撰写。Jaszewski的研究由她的国家科学基金会研究生奖学金和半导体研究公司资助。
Jaszewski正在深入研究氧化铪，以解释这种材料对电场的反应。在半导体行业，这种现象被称为觉醒和疲劳。
Jaszewski说：“当你向这种材料施加电场时，铁电性能会增加，或者说“唤醒”。当你继续施加电场时铁电性能就会下降，这一过程称为疲劳。”
她发现，当最初施加电场时，它会促进铁电结构，但回报会逐渐减少。Jaszewski说：“当你继续使用磁场时，铁电性能会降低。”
下一步是研究材料中氧原子的舞蹈如何导致觉醒和疲劳，这需要研究空位的动态位置。
Ihlefeld说：“这些里程碑式的研究解释了铁电氧化铪存在的原因以及它如何稳定。基于这些新发现，我们可以设计出更稳定的氧化铪薄膜，并在实际应用中表现得更好。通过进行这项基础研究，我们可以帮助半导体公司了解问题的根源，以及如何在未来的生产线中预防这些问题。”
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