Impacto de la composición de la película en la estructura cristalina y la ferroelectricidad en (Al1 – X – ygaxscy) n Ternary Wurtzite delgada películas. Crédito: materiales de APL (2025). Doi: 10.1063/5.0261572
Un estudio reciente informa (AL, GA, SC) n películas delgadas con niveles récord de escandio, con un potencial emocionante para dispositivos de memoria de potencia ultra baja, según lo informado por los investigadores del Instituto de Ciencias Tokio (Science Tokyo). Usando la pulverización del magnetrón reactivo, ajustaron la composición de las aleaciones ternarias para superar los límites de estabilidad previos.
Más allá de habilitar el almacenamiento eficiente de datos, estas películas también muestran promesa de filtros de ruido para comunicaciones 6G y computación óptica, gracias a atractivas propiedades piezoeléctricas y optoeléctricas.
Los dispositivos electrónicos se están volviendo más pequeños pero más capaces que nunca, creando una demanda de tecnologías de memoria que puedan almacenar más datos mientras consumen menos energía. Los recuerdos ferroeléctricos no volátiles han surgido como una solución prometedora a este problema. Al mantener una polarización eléctrica intrínseca, estos dispositivos pueden retener información almacenada sin requerir una potencia eléctrica constante, que extiende la vida útil de la batería y permiten una computación móvil más sofisticada.
El nitruro de galio (GaN) y el nitruro de aluminio (ALN), los materiales ya utilizados en LED, poseen estructuras cristalinas únicas donde los centros de carga positivos y negativos se desplazan naturalmente. Este desplazamiento crea una polarización conmutable que puede ser controlada por un voltaje externo aplicado, formando la base para las funcionalidades de memoria no volátil.
Los científicos saben que la incorporación de escandio (SC) en estas estructuras de cristal podría reducir significativamente los voltajes operativos y permitir la operación de energía ultra baja. Sin embargo, aumentar la concentración de SC ha demostrado ser extremadamente desafiante debido a las limitaciones fundamentales en la estabilidad tanto para GaN como para ALN.
En este contexto, un equipo de investigación dirigido por el profesor Hiroshi Funakubo del Instituto de Ciencia Tokio (Science Tokyo), Japón, ha logrado un avance significativo al sintetizar con éxito (AL, GA, SC) y películas delgadas con concentraciones SC sin precedentes. Su trabajo, publicado En línea en materiales de APL, demuestra que la aleación de ALN con GaN en la proporción correcta puede expandir significativamente la cantidad de SC que se puede incorporar a la estructura cristalina final.
Primero, los investigadores emplearon la pulverización del magnetrón reactivo, una técnica de deposición de vapor físico, para depositar películas delgadas de (Al, GA, SC) n con composiciones cuidadosamente controladas en sustratos de silicio recubiertos de platino y titanio. A través del ajuste meticuloso de los parámetros de pulverización y la potencia objetivo, sintetizaron una amplia gama de aleaciones ternarias con diferentes proporciones de cada elemento.
Estas películas se caracterizaron rigurosamente utilizando técnicas avanzadas como la difracción de rayos X para determinar su estructura cristalina, microscopía electrónica para examinar su microestructura y mediciones eléctricas para evaluar sus propiedades ferroeléctricas y dieléctricas. Su enfoque sistemático les permitió mapear el llamado “diagrama de fase” del sistema ALN-GAN-SCN, revelando una nueva región para la estructura cristalina de wurtzita ferroeléctricamente activa con un mayor contenido de SC cuando estaba presente una pequeña fracción de galio.
Un resultado importante de esta investigación fue la reducción significativa en el campo coercitivo (CE) del material, el campo eléctrico necesario para cambiar la polarización, que se produjo con el aumento del contenido de SC en las aleaciones ternarias. El equipo observó una notable disminución en la CE de 5.8 mV/cm a 1.8 mV/cm a medida que la relación SC aumentó.
“Este valor de la CE es mucho más bajo que la mayoría de los valores informados en trabajos anteriores para varios dopantes de Wurtzite Films basadas en ALN y GaN, lo que es muy prometedor para el desarrollo de dispositivos de memoria”, comenta Funakubo. Un análisis posterior de los resultados reveló que un efecto de entropía podría ser responsable de este efecto.
En particular, la reducción de voltaje alcanzada podría traducirse directamente a un menor consumo de energía en los dispositivos de memoria, abordando uno de los desafíos más apremiantes en la electrónica moderna. Más allá de las aplicaciones de memoria, estas nuevas películas ferroeléctricas también exhibieron propiedades piezoeléctricas y optoeléctricas superiores.
“Estas propiedades abren aplicaciones potenciales en filtros de ruido de alta frecuencia y sistemas informáticos ópticos de potencia ultramada, que son necesarias para los teléfonos inteligentes 6G de próxima generación y en dispositivos de computación óptica que funcionan con energía ultra baja”, dice Funakubo.
En general, la combinación de voltajes operativos reducidos, propiedades funcionales mejoradas y compatibilidad con las técnicas existentes de procesamiento de semiconductores hace (AL, GA, SC) N películas prometedoras para la electrónica de próxima generación.
Más información: Reika Ota et al, Impacto de la composición de la película en la estructura cristalina y la ferroelectricidad en las películas delgadas de wurtzita ternary de (Al1 -x -ygaxscy) n ternary, materiales APL (2025). Doi: 10.1063/5.0261572
Proporcionado por el Instituto de Ciencias Tokio
Cita: las innovadoras películas de aleación ternaria allanan el camino para los dispositivos de memoria de potencia ultra-lento (2025, 2 de julio) Consultado el 2 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-ternary-alloy-pave-ultra-power.html
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