Исследователи обнаружили, что диоксид титана (TiO₂) — обычный диэлектрик, который встречается в красках, солнцезащитных кремах и катализаторах, — приобретает сегнетоэлектрические свойства при сжатии до толщины менее 3 нанометров. Более того, этот эффект сохраняется вплоть до 1 нанометра — примерно вдвое больше размера элементарной ячейки TiO₂.
Сегнетоэлектрики — это материалы, способные переключать свою поляризацию под действием внешнего электрического поля. Они работают при относительно низких напряжениях, что делает их перспективными для энергоэффективной памяти и логических устройств. Обычно сегнетоэлектричество исчезает при уменьшении толщины материала, и интеграция ультратонких сегнетоэлектриков с кремниевой электроникой остается сложной задачей. Но команда подошла к проблеме иначе: вместо того чтобы утончать уже существующий сегнетоэлектрик, они задались вопросом — может ли обычный несегнетоэлектрический материал стать таковым при экстремальном уменьшении толщины.
Идея возникла после того, как в 2020 году та же группа продемонстрировала сегнетоэлектрическое переключение в пленке оксида гафния толщиной 1 нанометр, выращенной прямо на кремнии. Теперь ученые решили проверить диоксид титана. С помощью атомно-слоевого осаждения они создали пленки толщиной от 1 до 10 нанометров при температуре ниже 400°C. Пленки можно было формировать как на кремнии, так и на аморфных поверхностях, включая диоксид кремния и углерод.
Решающее изменение произошло на пороге примерно в 3 нанометра. Толстые образцы поглощали рентгеновские лучи одинаково в разных направлениях — как и положено симметричной структуре. Но при уменьшении толщины поглощение становилось зависимым от направления, что указывало на возникновение полярного искажения. Дополнительные измерения методом генерации второй гармоники подтвердили нарушение симметрии: сигнал резко возрастал ниже 3 нанометров. Электрические тесты — пьезореснонсная силовая микроскопия и другие методы — подтвердили, что структурное искажение сопровождается настоящим сегнетоэлектрическим поведением.
Как отмечает один из авторов исследования, Архиана Раджа, они напрямую измеряют искажение кристалла, поскольку атомы буквально смещаются во время структурного перехода. Результат, опубликованный в журнале Science, открывает новый путь к поиску сегнетоэлектриков среди хорошо известных и совместимых с полупроводниковым производством материалов. Теперь ученые планируют найти другие вещества, которые могли бы проявлять полезные свойства при уменьшении до наноразмеров, и создать библиотеку таких материалов для различных устройств.