Crystal-stacking proces kan producere nye materialer til højteknologiske enheder

Det magnetiske, ledende og optiske egenskaber ved komplekse oxider gør dem nøglen til komponenter i næste generations elektronik, der bruges til datalagring, fornemmelse, energiteknologier, biomedicinsk udstyr og mange andre applikationer.

Stacking af ultratynde komplekse oxid-enkeltkrystallag-dem, der består af geometrisk arrangerede atomer-gør det muligt for forskere at oprette nye strukturer med hybridegenskaber og flere funktioner. Nu, ved hjælp af en ny platform udviklet af ingeniører ved University of Wisconsin-Madison og Massachusetts Institute of Technology, forskere vil være i stand til at lave disse stablede krystalmaterialer i stort set ubegrænsede kombinationer.

Teamet offentliggjorde detaljer om sit fremskridt den 5. februar i tidsskriftet Natur .

Epitaxy er processen til at deponere et materiale oven på et andet på en ordnet måde. Forskernes nye lagdelingsmetode overvinder en stor udfordring i konventionel epitaxy - at hvert nyt komplekst oxidlag skal være tæt kompatibelt med atomstrukturen i det underliggende lag. Det er lidt som at stable legoklodser:Hullerne i bunden af ​​den ene blok skal flugte med de hævede prikker oven på den anden. Hvis der er et misforhold, klodser passer ikke korrekt sammen.

"Fordelen ved den konventionelle metode er, at du kan dyrke en perfekt enkelt krystal oven på et substrat, men du har en begrænsning "siger Chang-Beom Eom, en UW-Madison professor i materialevidenskab og teknik og fysik. "Når du dyrker det næste materiale, din struktur skal være den samme, og din atomare afstand skal være ens. Det er en begrænsning, og ud over denne begrænsning, det vokser ikke godt. "

For et par år siden, et team af MIT -forskere udviklede en alternativ tilgang. Anført af Jeehwan Kim, lektor i maskinteknik og materialevidenskab og teknik ved MIT, gruppen tilføjede et ultratyndt mellemlag af et unikt kulstofmateriale kaldet grafen, brugte derefter epitaxy til at dyrke et tyndt halvledende materialelag oven på det. Kun et molekyle tykt, grafen virker som en afskalbar bagside på grund af dets svage binding. Forskerne kunne fjerne halvlederlaget fra grafen. Tilbage var et fritstående ultratyndt ark af halvledende materiale.

Eom, en ekspert i komplekse oxidmaterialer, siger, at de er spændende, fordi de har en lang række afstemmbare egenskaber - herunder flere egenskaber i et materiale - som mange andre materialer ikke har. Så, det gav mening at anvende afskalningsteknikken på komplekse oxider, som er meget mere udfordrende at vokse og integrere.

"Hvis du har denne form for klip-og-klist vækst og fjernelse, kombineret med den forskellige funktionalitet ved at sætte enkeltkrystaloxidmaterialer sammen, du har en enorm mulighed for at lave enheder og lave videnskab, "siger Eom, der forbandt med mekaniske ingeniører på MIT under et sabbatår der i 2014.

Eom- og Kim-forskningsgrupperne kombinerede deres ekspertise til at skabe ultratynde komplekse oxid-krystallag, igen ved hjælp af grafen som det afskalbare mellemprodukt. Vigtigere, imidlertid, de erobrede en tidligere uoverstigelig hindring - forskellen i krystalstruktur - ved at integrere forskellige komplekse oxidmaterialer.

"Magnetiske materialer har en krystalstruktur, mens piezoelektriske materialer har et andet, "siger Eom." Så du kan ikke dyrke dem oven på hinanden. Når du prøver at dyrke dem, det bliver bare rodet. Nu kan vi dyrke lagene separat, skræl dem af, og integrere dem. "

I sin forskning, teamet demonstrerede effektiviteten af ​​teknikken ved hjælp af materialer som perovskit, spinel og granat, blandt flere andre. De kan også stable enkelte komplekse oxidmaterialer og halvledere.

"Dette åbner mulighed for studiet af ny videnskab, hvilket aldrig har været muligt før, fordi vi ikke kunne dyrke det, "siger Eom." Det var umuligt at stable disse, men nu er det muligt at forestille sig uendelige kombinationer af materialer. Nu kan vi sammensætte dem. "

Forskuddet åbner også døre til nye materialer med funktionaliteter, der driver fremtidens teknologier.

"Dette fremskridt, hvilket ville have været umuligt ved hjælp af konventionelle tyndfilmvækstteknikker, rydder vejen for næsten ubegrænsede muligheder inden for materialedesign, "siger Evan Runnerstrom, programleder i materialedesign i Army Research Office, som finansierede en del af forskningen. "Evnen til at skabe perfekte grænseflader, mens kobling af forskellige klasser af komplekse materialer kan muliggøre helt ny adfærd og indstillelige egenskaber, som potentielt kan udnyttes til nye hærkapaciteter inden for kommunikation, rekonfigurerbare sensorer, lav effekt elektronik, og kvanteinformationsvidenskab. "