Технологию получения наноструктурных материалов на основе диоксида циркония, обладающих большим количеством кислородных вакансий, которые обеспечивают проведение тока, разработали красноярские ученые, 5 августа сообщает издание Коммерсантъ.

При комнатной температуре диоксид циркония (ZrO₂) содержит мало кислородных вакансий, но команде исследователей удалось увеличивать их число, синтезируя нанопорошок ZrO₂ в вакуумной камере в плазме аргона и кислорода при давлении в десятки тысяч раз меньше атмосферного.

Полученные материалы могут быть использованы в электронике, например, в качестве элементов запоминающих устройств.

Результаты исследования метода и свойств полученного материала разработчики представили в статье «Резистивно-переключающие свойства наноструктурированного слоя из смешанных фаз ZrO₂, полученного в плазме дугового разряда низкого давления», опубликованной в журнале Vacuum.

Тонкие пленки или наночастицы диоксида циркония предполагается использовать, например, в устройствах энергонезависимой памяти (мемристорах), а также в транзисторах. Этот материал хорошо совместим с кремнием, а его способностью проводить ток можно управлять, используя ее для записи и хранения больших объемов информации.

Такое управление электропроводностью ZrO₂ возможно потому, что в виде тонких пленок или наночастиц диоксид циркония имеет большое количество кислородных вакансий, то есть участков, где в его кристаллической решетке «не хватает» атома кислорода и которые при подаче высокого напряжения могут вовлекаться в проведение тока.

Широкого применения диоксида циркония в электронике пока нет, так как сложно получить материал с большим количеством кислородных вакансий из-за того, что он сохраняет стабильность лишь при температурах выше 1100 °С, когда кристаллическая решетка диоксида циркония переходит в тетрагональную фазу. А понижение температуры до комнатной приводит к тому, что материал восстанавливает состояние с малым числом кислородных вакансий.

Команда ученых, в которую вошли специалисты из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» (КНЦ СО РАН) и Сибирского федерального университета, разработала технологию, позволяющую получать оксид циркония, сохраняющий тетрагональную фазу при комнатной температуре.

В своем исследовании ученые синтезировали образцы ZrO₂ с кристаллами тетрагональной формы в вакуумной камере в плазме аргона с подачей кислорода при разном давлении — от пятисот до десятков тысяч раз меньше атмосферного.

Фазовый состав сформированных частиц ученые исследовали с помощью рентгеноструктурного анализа, который основан на том, что в зависимости от своей атомной структуры кристаллы по-разному отражают направленный на них рентгеновский луч.

Ими было установлено, что уменьшение давления в вакуумной камере, которое приводило к снижению концентрации кислорода, приводило также к возрастанию доли тетрагональной фазы циркония с 11% до 53%. Соответственно, в получаемом материале было больше кислородных вакансий — свободных участков для протекания тока.

Разработанная технология легко масштабируется, что позволит синтезировать нужную фазу оксида циркония на промышленных предприятиях.

Научный сотрудник КНЦ СО РАН Леонид Федоров рассказал о проведенном исследовании:

«В своей работе мы исследовали материал, перспективный для энергонезависимых запоминающих электронных устройств нового поколения. В целом требования к таким материалам известны — они должны быть способны „переключаться“ между состоянием, в котором не способны проводить ток, и тем, в котором могут это делать. Поэтому важно было изучить физические процессы на этапе получения образцов, которые приводят к удовлетворению этих требований».

В планах ученых подробное исследование влияния количества кислородных вакансий на электрофизические и магнитные свойства диоксида циркония.