Credit: Nature (2020)

Introduzione

Le proprietà magnetiche, conduttive e ottiche degli ossidi complessi li rendono fondamentali per i componenti dell’elettronica di prossima generazione utilizzati per l’archiviazione, il rilevamento, le tecnologie energetiche, i dispositivi biomedici e molte altre applicazioni.

Sovrapponendo strati monocristallini di ossido complesso ultrasottile – quelli composti da atomi disposti geometricamente – consente ai ricercatori di creare nuove strutture con proprietà ibride e funzioni multiple. Ora, utilizzando una nuova piattaforma sviluppata dagli ingegneri dell‘Università del Wisconsin-Madison e del Massachusetts Institute of Technology, i ricercatori saranno in grado di realizzare questi materiali a cristalli sovrapposti in combinazioni praticamente illimitate.

Il team ha pubblicato i dettagli della ricerca in un articolo del 5 febbraio sulla rivista Nature.

Il nuovo metodo

Per far crescere strati di ossidi a cristallo singolo per componenti elettronici è necessario interporre strati vicini come blocchi di Lego. Un nuovo metodo elimina tale limitazione, producendo nuove capacità per l’archiviazione, il rilevamento, le tecnologie energetiche, i dispositivi biomedici e molte altre applicazioni. PER GENTILE CONCESSIONE DI CHANG-BEOM EOM

L’epitassia è il processo per depositare un materiale sopra l’altro in modo ordinato. Il nuovo metodo di stratificazione dei ricercatori supera una grande sfida nell’epitassia convenzionale: ogni nuovo complesso strato di ossido deve essere strettamente compatibile con la struttura atomica dello strato sottostante. È un po ‘come impilare i blocchi Lego: i fori nella parte inferiore di un blocco devono allinearsi con i punti in rilievo sull’altro. Se c’è una discrepanza, i blocchi non si incastrano correttamente. “Il vantaggio del metodo convenzionale è che puoi far crescere un singolo cristallo perfetto sopra un substrato, ma hai un limite“, afferma Chang-Beom Eom, professore di scienze dei materiali, ingegneria e fisica. “Quando aggiungi il materiale successivo, la tua struttura deve essere la stessa e la tua spaziatura atomica deve essere simile. Questo è un vincolo e al di là di questo vincolo, non cresce bene”.

Un paio di anni fa, un team di ricercatori del MIT ha sviluppato un approccio alternativo. Guidato da Jeehwan Kim, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e ingegneria presso il MIT, il gruppo ha aggiunto uno strato ultrasottile intermedio di un unico materiale in carbonio chiamato grafene, quindi vi ha aggiunto sopra, attraverso l’epitassia, un sottile strato di materiale semiconduttore. Con una sola molecola di spessore, il grafene agisce come un supporto staccabile a causa del suo legame debole. I ricercatori hanno potuto rimuovere lo strato di semiconduttore dal grafene. Ciò che restava era un foglio indipendente e ultrasottile di materiale semiconduttore.

Aggiungere e rimuovere con il taglia e incolla

Ritratto di Chang-Beom Eom
Chang-Beom Eom

Eom, un esperto di materiali a ossido complessi, afferma che sono intriganti perché hanno una vasta gamma di proprietà sintonizzabili – incluse proprietà multiple in un materiale – che molti altri materiali non lo fanno. Quindi, aveva senso applicare la tecnica del peel-away agli ossidi complessi, che sono molto più difficili da coltivare e integrare. “Se hai questo possibilà di aggiungere e rimuovere con il taglia e incolla, combinato con la diversa funzionalità di mettere insieme i materiali di ossido monocristallino, hai un’enorme possibilità per fabbricare dispositivi e fare scienza“, afferma Eom.

I gruppi di ricerca Eom e Kim hanno unito le loro competenze per creare strati monocristallini di ossido complessi ultrasottili, usando nuovamente il grafene come intermedio staccabile. Ancora più importante, tuttavia, hanno conquistato un ostacolo precedentemente insormontabile – la differenza nella struttura del cristallo – nell’integrare diversi materiali di ossido complessi.

I materiali magnetici hanno una struttura cristallina, mentre i materiali piezoelettrici ne hanno un’altra“, afferma Eom. “Quindi non puoi aggiungerli uno sopra l’altro. Quando provi a farli crescere, diventa solo disordinato. Ora possiamo far crescere i livelli separatamente, staccarli e integrarli“.

L’efficacia della tecnica

Nella sua ricerca, il team ha dimostrato l’efficacia della tecnica utilizzando materiali come la perovskite, spinello e granato, tra gli altri. Possono anche impilare singoli materiali e semiconduttori di ossido complessi.

Questo apre la possibilità per lo studio della nuova scienza, che non è mai stato possibile in passato perché non potevamo aggiungerli“, afferma Eom. “Impilarli era impossibile, ma ora è possibile immaginare infinite combinazioni di materiali. Ora possiamo metterli insieme“.

L’avanzamento apre anche le porte a nuovi materiali con funzionalità che guidano le tecnologie future. “Questo progresso, che sarebbe stato impossibile utilizzando le tradizionali tecniche di crescita a film sottile, apre la strada a possibilità pressoché illimitate nella progettazione dei materiali“, afferma Evan Runnerstrom, responsabile del programma di progettazione dei materiali presso l’ufficio di ricerca dell’esercito, che ha finanziato parte della ricerca. “La capacità di creare interfacce perfette accoppiando classi disparate di materiali complessi può consentire comportamenti e proprietà sintonizzabili completamente nuovi, che potrebbero potenzialmente essere sfruttati per le nuove capacità dell’esercito nelle comunicazioni, sensori riconfigurabili, elettronica a bassa potenza e nella scienza dell’informazione quantistica“.

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