Strontium-iridiumoxid bruges til tilpasning som elektronisk materiale

PSI-forskere har opnået en grundlæggende forståelse af et meget lovende materiale, der kunne være egnet til fremtidige datalagringsapplikationer. Deres eksperimenter med strontium-iridiumoxid, Sr ₂ IrO ₄ , undersøgte både de magnetiske og elektroniske egenskaber af materialet som en tynd film. De analyserede også, hvordan disse egenskaber kan kontrolleres systematisk ved at manipulere filmene. Denne undersøgelse blev muliggjort af sofistikeret røntgenstråling, en teknologi, hvor PSI-forskere er blandt verdens eksperter. Resultaterne offentliggøres i dag i tidsskriftet Procedurer fra National Academy of Sciences .

I deres søgen efter fremtidens magnetiske datalagring, forskere leder efter egnede materialer med egenskaber, der kan tilpasses så fleksibelt som muligt. En lovende kandidat er strontium-iridiumoxid, et metaloxid med den kemiske betegnelse Sr ₂ IrO ₄ . PSI-forskere har undersøgt dette materiale, arbejder sammen med kolleger i Polen, USA og Frankrig.

"Nøgleordet i vores forskning er spintronics, " forklarer Thorsten Schmitt, Leder af PSI Research Group for Spectroscopy of Novel Materials. Spintronics udnytter både elektronens elektriske ladning og dens interne spin til at udvikle avancerede elektroniske komponenter.

Spintronics bliver allerede brugt på nutidens harddiske, men egenskaberne af de anvendte materialer er baseret på "normal" magnetisme:ferromagneter som jern eller nikkel, hvor spindene er arrangeret parallelt. Deres ulempe er den relativt store afstand, der kræves mellem de ferromagnetiske datalagringspunkter, dvs. stumperne, for at forhindre krydsinterferens.

Eksperter mener, at antiferromagnetiske materialer kan tilbyde et lovende alternativ, da deres spins er arrangeret i modsatte retninger. Set eksternt, antiferromagnetiske materialer er derfor magnetisk neutrale. Derfor ville en antiferromagnetisk bit ikke forstyrre sin nabo. "Disse stykker kan pakkes tættere sammen, så flere data kan gemmes på samme plads, "Siger Schmitt." Oven i det, datalæse-skriveoperationer er meget hurtigere."

Strontium-iridiumoxid er et sådant antiferromagnetisk materiale. Det er i det væsentlige en krystal, inden for hvilken iridium- og oxygenatomerne danner små oktaeder. "Vi kalder dette en perovskitstruktur, "forklarer Milan Radovic, en fysiker ved PSI og medforfatter til det nye studie. "Det er et ideelt materiale til systematisk manipulation af dets funktionelle egenskaber, "Tilføjer Radovic.

Manipulering af tynde film

For at udføre sådan manipulation og opdage mere om egenskaberne ved dette meget lovende materiale, PSI-forskere anvendte en tynd, krystallinsk lag af Sr ₂ IrO ₄ som hovedfilm på forskellige krystallinske substrater. Ideen er, at substratet fører til, at den påførte films krystallinske struktur bliver forvrænget. "Det er, som om vi trak eller komprimerede vores materiale på atomniveau, " forklarer Schmitt. Dette får perovskit-oktaedrene til at vride sig og skifte lidt mod hinanden, i sidste ende ændrer materialets egenskaber som helhed.

Denne metode gør det muligt systematisk at finjustere materialets magnetiske og elektroniske egenskaber. Og da denne type materiale allerede bliver brugt i elektroniske komponenter i form af tynde film, udvikling af applikationer på dette område ville være det næste logiske skridt.

At få et globalt billede

For dybdegående analyse af deres prøver, PSI-forskere brugte en speciel røntgenteknik, der er blevet stærkt udviklet af PSI kendt som Resonant Inelastic X-Ray-Scattering, eller RIXS for kort. På PSI brugte forskerne bløde røntgenstråler til at udføre deres RIXS-eksperimenter. Forskningen i Schweiz blev suppleret med yderligere præcisionsmålinger med hårde røntgenstråler af højere energi udført på European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble og Advanced Photon Source i Argonne, OS..

"De fleste metoder fokuserer separat på enten magnetismen eller de elektroniske egenskaber, " Schmitt forklarer. "Med RIXS, på den anden side, vi kan undersøge begge egenskaber med samme mål og sammenligne dem direkte med hinanden. Kort sagt:Vi har med succes fået et globalt billede af vores prøve."

Forskerne var i stand til at opdage, hvordan de elektroniske egenskaber ændres, når det krystallinske gitter af Sr ₂ IrO ₄ filmen er forvrænget, og hvordan denne udvikling hænger sammen med ændringen i magnetisme. Begge går hånd i hånd – og giver vigtige resultater til potentielle applikationer.

Superledere som et paradigme

Specifikt, gruppen formåede at modificere strontium-iridiumoxidet, så dets magnetiske egenskaber efterligner en anden klasse af fascinerende materialer:højtemperatursuperledere sammensat af kobberoxidlag, også kendt som cuprates. Disse har også en perovskit-lignende struktur. I deres eksperiment, PSI-videnskabsmænd trak og snoede Sr ₂ IrO ₄ film, så atomafstandene i krystalgitteret udvidede sig, og derudover skete en rotation. "Dette gjorde det muligt for os at få materialet til at kopiere egenskaberne af en kuprat, " siger Schmitt. "Men vi er stadig langt fra at producere en ny superleder, " han siger, før nogen får håbet op. Han tror også, at det kan tage yderligere 10 eller 20 år, før de nuværende resultater muligvis vil bidrage til udviklingen af ​​nye datalagringsapplikationer. "Vores opgave er at producere grundforskning. Dette er meget vigtigt som et springbræt i den fremtidige udvikling af nye materialer."