Процесс укладки кристаллов позволяет производить новые материалы для высокотехнологичных устройств

Магнитные, проводящие и оптические свойства сложных оксидов делают их ключом к компонентам электроники следующего поколения, используемой для хранения данных, зондирования, энергетических технологий, биомедицинских устройств и многих других приложений.

Укладка ультратонких сложных оксидных монокристаллических слоев, состоящих из геометрически расположенных атомов, позволяет исследователям создавать новые структуры с гибридными свойствами и множеством функций. Теперь, используя новую платформу, разработанную инженерами из Университета Висконсин-Мэдисон и Массачусетского технологического института, исследователи смогут изготавливать эти сложенные кристаллические материалы в практически неограниченных комбинациях.

Команда опубликовала подробности своего продвижения 5 февраля в журнале Nature .

Эпитаксия — это процесс упорядоченного размещения одного материала поверх другого. Новый метод наслоения исследователей преодолевает главную проблему в традиционной эпитаксии — каждый новый сложный оксидный слой должен быть тесно совместим с атомной структурой нижележащего слоя. Это похоже на штабелирование блоков Lego: отверстия в нижней части одного блока должны совпадать с выпуклыми точками на другом. Если есть несоответствие, блоки не будут правильно совмещаться.

«Преимущество традиционного метода заключается в том, что вы можете выращивать идеальный монокристалл поверх подложки, но у вас есть ограничение», — говорит Чанг-Бом Эом, профессор UW-Madison в области материаловедения, техники и физики. «Когда вы выращиваете следующий материал, ваша структура должна быть такой же, а расстояние между атомами должно быть одинаковым. Это ограничение, и за пределами этого ограничения оно не растет хорошо».

Пару лет назад команда исследователей MIT разработала альтернативный подход. Во главе с Jeehwan Kim, доцентом в области машиностроения и материаловедения и инженерии в MIT, группа добавила ультратонкий промежуточный слой из уникального углеродного материала под названием графен, а затем использовала эпитаксию для выращивания тонкого слоя полупроводникового материала на вершине этого. Из-за слабой связи графен толщиной всего в одну молекулу действует как отслаивающаяся основа. Исследователи могли удалить полупроводниковый слой из графена. То, что осталось, было автономным ультратонким листом полупроводникового материала.

Eom, эксперт по сложным оксидным материалам, говорит, что они интригуют, потому что у них есть широкий диапазон настраиваемых свойств — включая множество свойств в одном материале — что многие другие материалы не имеют. Таким образом, имело смысл применять метод отслаивания для сложных оксидов, которые гораздо сложнее выращивать и интегрировать.

«Если у вас есть такой тип роста и удаления резкой и вставки, в сочетании с различными функциональными возможностями соединения монокристаллических оксидных материалов, у вас есть огромная возможность создавать устройства и заниматься наукой», — говорит Эом, который связан с механикой. инженеры из Массачусетского технологического института во время творческого отпуска там в 2014 году.

Исследовательские группы Eom и Kim объединили свой опыт для создания ультратонких комплексных оксидных монокристаллических слоев, снова используя графен в качестве промежуточного отшелушивающего вещества. Что еще более важно, однако, они преодолели непреодолимое препятствие — разницу в кристаллической структуре — в интеграции различных сложных оксидных материалов.

«Магнитные материалы имеют одну кристаллическую структуру, в то время как пьезоэлектрические материалы имеют другую», — говорит Эом. «Таким образом, вы не можете вырастить их друг на друга. Когда вы пытаетесь вырастить их, это просто становится грязным. Теперь мы можем вырастить слои по отдельности, отделить их и интегрировать».

В своем исследовании команда продемонстрировала эффективность этой техники с использованием таких материалов, как перовскит, шпинель и гранат, а также ряд других. Они также могут складывать отдельные сложные оксидные материалы и полупроводники.

«Это открывает возможность для изучения новой науки, которая никогда не была возможна в прошлом, потому что мы не могли ее развивать», — говорит Эом. «Объединить их было невозможно, но теперь можно представить бесконечные комбинации материалов. Теперь мы можем собрать их вместе».

Прогресс также открывает двери для новых материалов с функциональными возможностями, которые движут будущие технологии.

«Этот прогресс, который был бы невозможен при использовании традиционных технологий выращивания тонких пленок, открывает путь для почти безграничных возможностей в дизайне материалов», — говорит Эван Руннерстрем, менеджер программы по разработке материалов в Исследовательском бюро армии, которая финансировала часть исследований. «Способность создавать совершенные интерфейсы при одновременном соединении разнородных классов сложных материалов может обеспечить совершенно новое поведение и настраиваемые свойства, которые потенциально могут быть использованы для новых возможностей армии в области связи, реконфигурируемых датчиков, маломощной электроники и квантовой информатики».

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Висконсин-Мэдисон . Оригинал написан Рене Мейллер. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Хён С. Кум, Хенгву Ли, Сунгкью Ким, Шейн Линдеманн, Вей Конг, Куан Цяо, Пенг Чен, Джулиан Ирвин, Джун Хьюк Ли, Сайен Се, Шрути Субраманян, Джаву Шим, Санг-Хун Бэ, Чанеол Чой, Луиджи Ранно, Сонджу Соо, Сангхо Ли, Джексон Бауэр, Хуашань Ли, Кьюсанг Ли, Джошуа А. Робинсон, Кэролайн А. Росс, Даррелл Дж. Шлом, Марк С. Ржовски, Чанг-Бом Эом, Дживан Ким. Гетерогенная интеграция монокристаллических комплексных оксидных мембран . Природа , 2020; 578 (7793): 75 DOI: 10,1038 / s41586-020-1939-z