«Дефект» оказался преимуществом: микроразрывы в кристаллах ускорят вашу технику в 100 раз

Специалисты Мичиганского университета раскрыли физический механизм , который лежит в основе работы принципиально нового типа материалов. Речь идёт о вюрцитных сегнетоэлектрических нитридах – соединениях, хранящих информацию в электрических полях. Авторы работы подчёркивают революционный потенциал открытия для всей электронной промышленности.

На протяжении нескольких лет после обнаружения этих соединений учёные не могли объяснить, каким образом внутри одной структуры уживаются противоположные электрические поляризации. По законам физики такая конфигурация должна приводить к моментальному разрушению, однако на практике система оставалась стабильной.

Природа электрической поляризации схожа с магнетизмом, но имеет свои особенности. Магнитное поле характеризуется наличием северного и южного полюсов, тогда как в случае электрической поляризации формируются участки с положительным и отрицательным зарядом. При воздействии внешнего электрического поля направление поляризации можно изменить на противоположное: области с положительным зарядом становятся отрицательными и наоборот. После прекращения воздействия новая конфигурация сохраняется, что и позволяет использовать данное свойство для хранения информации.

Исследования показали, что при переключении поляризации вещество не меняет своё состояние целиком. Внутри формируются отдельные области – домены, часть которых остаётся в первоначальном виде, а другая приобретает противоположную ориентацию. На границах между такими зонами, особенно в местах соприкосновения двух положительно заряженных участков, возникают мощные силы отталкивания. До недавнего времени оставалось загадкой, почему они не разрушают структуру материала.

Разгадка пришла благодаря совместным усилиям экспериментаторов под началом профессора Зетяна Ми и теоретической группы, возглавляемой Эммануилом Киупакисом, профессором материаловедения и инженерии. На атомном уровне в местах стыка доменов происходит микроскопический разрыв кристаллической решётки. Парадоксальным образом именно этот разрыв становится стабилизирующим фактором всей системы.

В зоне горизонтального соединения, где сходятся положительно заряженные концы, правильная геометрия кристалла нарушается. Возникает множество свободных валентных связей, содержащих отрицательно заряженные электроны. Эти свободные носители создают идеальный противовес избыточному положительному заряду на краях каждого домена.

Лабораторные испытания проводились на образцах нитрида скандия-галлия. С помощью электронного микроскопа учёные обнаружили, что в местах контакта доменов традиционная гексагональная структура кристаллической решётки изменяется на протяжении нескольких атомных слоёв. Измерения выявили уменьшение расстояния между слоями по сравнению с нормальным состоянием. Для детального анализа конфигурации разорванных связей специалисты применили теорию функционала плотности – квантово-механический метод, позволяющий рассчитать распределение электронной плотности в многоатомных системах.

Результаты исследования позволили Киупакису раскрыть уникальную природу обнаруженного явления. Компенсация заряда не является случайным совпадением – она напрямую связана с тетраэдрической геометрией кристаллической решётки. В такой структуре атомы располагаются особым образом: каждый центральный атом окружён четырьмя другими, образующими вершины правильного тетраэдра. Подобное расположение создаёт идеальные условия для формирования компенсирующих зарядов на границах доменов. Механизм стабилизации универсален для всех тетраэдрических сегнетоэлектриков – семейства материалов, которое привлекает всё больше внимания разработчиков микроэлектронных устройств нового поколения.

Практическая польза открытия превзошла теоретическую значимость. На границах доменов электроны в свободных связях образуют уникальный проводящий путь, параметрами которого можно управлять. По этой "магистрали" способен течь электрический ток, превосходящий показатели классического транзистора на основе нитрида галлия примерно в сто раз. Такую структуру легко настраивать: поток электронов можно включать и выключать, смещать активную зону внутри материала, регулировать силу тока, меняя характеристики электрического поля, определяющего направление поляризации.

Научный коллектив уже приступил к созданию полевого транзистора, использующего обнаруженные свойства. Разрабатываемые компоненты будут способны работать с высокими токами и частотами, что открывает новые возможности для силовой электроники. Особый интерес технология представляет для квантовых вычислительных систем, где необходим прецизионный контроль над состоянием отдельных частиц.