Udforsker den mørke side af en enkelt-krystal kompleks oxid tynd film

Analyse fra et hold ledet af Argonne-forskere afslører aldrig før sete detaljer om en type tynd film, der udforskes til avanceret mikroelektronik.

Forskning fra et hold ledet af forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory tilbyder en ny, nanoskopisk visning af komplekse oxider, som er lovende for avanceret mikroelektronik.

Komplekse oxider er multifunktionelle materialer, der i sidste ende kan føre til energieffektive, avancerede elektroniske hukommelseskomponenter og kvantecomputere. Generelt, disse materialer fremstilles lag for lag på et atomisk tilpasset underlag, en proces kendt som epitaksial vækst.

At bruge komplekse oxider i elektronik, de skal produceres på silicium - en umulig opgave for eksisterende epitaksiale vækstteknikker, da de atomare strukturer af disse to materialer ikke stemmer overens. En mulig løsning er at dyrke de komplekse oxider et andet sted og derefter overføre filmen til et andet substrat. Imidlertid, et nøglespørgsmål opstår:Vil de lokale egenskaber af en kompleks oxid tynd film forblive intakt, hvis du løfter den fra et substrat og afsætter den på et andet?

Den nye forskning afslører indsigt om fritstående komplekse oxider, der i sidste ende kan skabe et helt nyt forskningsfelt:kompleks oxidmikroelektronik. Arbejdet er detaljeret i et papir, "Ferroelektrisk domænevægbevægelse i fritstående enkelt krystal kompleks oxid tyndfilm, " for nylig offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer .

Ved hjælp af scanning probe mikroskopi, holdet studerede bly zirconium titanat (PZT), en type enkelt-krystal kompleks oxid ferroelektrisk tynd film. Sådanne enkeltkrystalfilm har egenskaber, der er ideelle til mikroelektronik - de er stærkt polariserede, holdbar og hurtig omskiftelig, gør dem velegnede til fremtidige ferroelektriske hukommelseschips med tilfældig adgang, for eksempel.

Dyrkning af disse tynde film kræver temperaturer på omkring 700 °C (1292 °F), hvilket forringer grænsefladelagets egenskaber, hvis det dyrkes direkte på silicium. Så forskerne dyrkede PZT’en på et mere medgørligt substrat – en base af strontiumtitanat (STO) med et ”offerlag” af lanthanstrontiummanganit (LSMO) klemt ind imellem. For at overføre PZT tyndfilmen til et andet underlag, forskerne brød de bånd, der forenede det med LSMO.

"PZT vokser smukt på LSMO, " sagde Saidur Rahman Bakaul, en assisterende materialeforsker ved Argonne, der ledede undersøgelsen. "Vi ville se, hvad der sker, hvis vi skærer den grænseflade."

Efter at have transformeret PZT til en fritstående film, forskerholdet vendte filmen om og genafsatte den forsigtigt på et identisk STO-LSMO substrat. Dette gjorde det muligt for første gang nogensinde at se PZT's løsrevne underside.

"Det er som at se på den anden side af månen, som du normalt ikke ser, " sagde Bakaul.

Holdet brugte elektrostatisk kraftmikroskopi med 20 nanometer-radius-sonder til at måle materialets lokale ferroelektriske egenskaber. Deres analyse viste, at de lokale statiske egenskaber af den nederste overflade af fritstående PZT var ret ens sammenlignet med dem for den øverste overflade. Dette fund, Bakaul sagde, er meget opmuntrende for fremtidig kompleks oxidmikroelektronik, fordi det bekræfter, at grænsefladeoverfladen af ​​den overførte PZT film er et ferroelektrisk lag af høj kvalitet. Det betyder, at overførselsteknikken skal være i stand til at kombinere de bedste materialer fra forskellige verdener, såsom PZT (ferroelektrisk) og silicium (halvledere). Indtil nu, ingen direkte vækstteknik har opnået dette uden at beskadige grænsefladeoverfladen.

Ved hjælp af piezorespons kraftmikroskopibilleder, forskere fandt ud af, at det løsrevne lags ferroelektriske domænevæghastighed - et mål for det elektrostatiske energilandskab af komplekse oxider - var næsten 1, 000 gange langsommere end stærkt bundne PZT-film.

For at finde ud af hvorfor, holdet undersøgte først atomlagene ved bunden af PZT filmen med atomkraftmikroskopi, som afslørede anomalier på overfladen. For et endnu nærmere kig, de henvendte sig til Argonne's Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science brugerfacilitet, hvor de brugte en røntgen-nanosonde til at se hældningerne i atomplaner, afslører aldrig før sete krusninger.

krusningerne, Bakaul sagde, stige til højden af ​​kun en milliontedel af et knappenålshoveds diameter, men stadig kan skabe et stærkt elektrisk felt, der forhindrer domænevæggen i at bevæge sig, den teoretiske analyse afslørede. Denne påstand blev yderligere understøttet med målinger fra et scanning kapacitans mikroskop.

Tilstedeværelsen af ​​sådanne strukturelle krusninger i komplekse oxider, som før var kendt som ikke-bøjelig keramik, er en spændende ny videnskabelig opdagelse og en fremtidig legeplads til at udforske stærke belastningsgradient-inducerede fysiske fænomener såsom flexoelektriske effekter. Imidlertid, i mikroelektroniske enheder, disse små krusninger kan inducere enhed-til-enhed variabilitet.

Arbejdet, som blev støttet af DOE's Office of Basic Energy Sciences, tilbyder et unikt og vigtigt detaljeringsniveau om egenskaberne af fritstående komplekse oxid tynde film.

"Vores undersøgelse viser, at dette materiale er klar til fremtidige mikroelektroniske applikationer, " sagde Bakaul, "men det vil kræve yderligere forskning om måder at undgå disse krusninger."