二氧化鉿（通常被稱為哈夫納，hafina）的特性表面上看起來似乎並不起眼。然而，當這種材料被製成超薄層時，它卻表現出了令人著迷的特性：通過在電場作用下切換偶極子，這種超薄層可以用作非易失性計算機存儲器。此外，由於這些偶極子的強度受其過去所經歷的電場的影響，因此它們非常適合用於構建”類腦”計算機架構的憶阻器。

這張圖片展示了哈夫納原子結構的藝術印象。圖片來源：經《施普林格-自然》授權轉載

格羅寧根大學功能納米材料教授Beatriz Noheda 對這種材料進行了研究，最近為《自然-材料》雜誌撰寫了一篇關於其特性的透視文章。她說：”儘管我們並不了解所有的物理學原理，但它已經被應用於設備中。

這位是荷蘭格羅寧根大學功能納米材料教授兼格羅寧根認知系統與材料中心科學主任比阿特麗斯-諾赫達（Beatriz Noheda）。她是《自然-材料》（Nature Materials）上發表的關於氧化鉿鐵電體的透視論文的主要作者。資料來源：格羅寧根大學

為了創建更高效的計算機，需要快速的非易失性隨機存取存儲器（RAM）。鐵電材料似乎是很好的候選材料。這些材料由帶有偶極子的單元組成，在電場的作用下會集體切換。然而，如果單元數量太少，它們的特性就會崩潰；自發去極化會在大約90 納米以下發生。

氧空位是一個例外。Beatriz Noheda 說：”這或多或少是偶然發現的。哈夫納在高溫和惡劣環境中非常穩定，傳統上用於冶金和化學工程行業。然而，當無定形哈夫納被證明是晶體管中非常高效的柵極絕緣體時，它引起了微芯片製造商的注意。用哈夫納取代傳統的氧化矽，可以使晶體管變得更小。”

Noheda 對這種材料的興趣源於她在格羅寧根認知系統與材料中心（CogniGron）的工作，她是該中心的科學主任。CogniGron 的目標是創建神經形態計算架構。Hafnia 是該中心研究的材料之一。”在《科學》雜誌於2021 年發表的一篇論文中，我們描述了開關是如何不僅僅通過偶極子發生的。我們發現氧空位的移動也發揮了作用，”Noheda說。根據她的經驗，她應邀在《自然-材料》雜誌的一篇視角文章中討論了從哈夫尼亞汲取的經驗教訓。

哈夫納的行為類似於鐵電體，但它只在納米尺度上保持其特性。”鐵電體似乎已經退出了超小型非易失性RAM 的競爭，但有了hafnia，它們現在處於領先地位”。儘管如此，哈夫納的行為似乎並不完全像鐵電體，如前所述，氧空位的移動似乎對其特性至關重要。

Noheda 還指出了另一個需要考慮的概念：納米粒子的表面能。”相圖顯示，這些顆粒相對較大的表面積在二氧化鉿中產生了相當於極高的壓力，這似乎在這種材料的特性中發揮了作用。這類知識對於尋找與鉿表現相似的其他材料非常重要。由於全球供應量太少，鉿不是微型芯片生產中最可持續的選擇。通過尋找具有類似特性的材料，我們可能會找到更好的候選材料。鋯就是其中一種選擇。”

找到鉿的可持續替代品可以加速鐵電材料在RAM 存儲器中的應用。由於偶極子的強度取決於產生偶極子的電場的歷史，因此它將是生產憶阻器的理想材料。這種模擬設備的行為類似於我們大腦中的神經元，是神經形態計算機架構的候選材料。”我們正在努力開發這種神經形態芯片。但首先，我們必須充分了解二氧化鉿和類似材料的物理特性”。