Et hidtil uset blik på oxidgrænseflader afslører uventede strukturer i atomskala

Tynde lag af oxidmaterialer og deres grænseflader er blevet observeret i atomopløsning under vækst for første gang af forskere ved Center for Nanophase Materials Sciences ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, giver ny indsigt i den komplicerede forbindelse mellem deres struktur og egenskaber.

"Forestil dig, at du pludselig havde evnen til at se i farver, eller i 3D, "sagde CNMS's Sergei Kalinin." Sådan tæt har vi været i stand til at se på disse meget små grænseflader. "

Avisen blev offentliggjort online i ACS Nano med ORNL's Junsoo Shin som hovedforfatter.

En komponent i magnetoelektronik og spintronik, oxidgrænseflader har potentiale til at erstatte siliciumbaserede mikroelektroniske enheder og forbedre strøm og hukommelsesopbevaring af andre elektroniske teknologier.

Imidlertid, oxidgrænseflader er svære at analysere i atomskala, fordi når oxiderne er fjernet fra deres vækstkammer, bliver de forurenede. For at omgå dette problem, ORNL -forskere under ledelse af Art Baddorf byggede et unikt system, der gør det muligt at scanne tunnelmikroskopi og lavenergi -elektrondiffraktion til at fange billeder af det øverste lag af oxidet, mens de er på stedet, eller stadig i vakuumkammeret, hvor materialerne blev dyrket af kraftige laserpulser.

Mange undersøgelser af lignende oxidgrænseflader anvender et kig fra siden, typisk opnået ved aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM). ORNL-teamet har brugt disse tværsnitsbilleder til at kortlægge oxidorganisationen.

Imidlertid, som en sandwich, oxidgrænseflader kan være mere end hvad de ser ud fra siden. For at observere det interaktive lag af top- og bundoxid, gruppen har brugt scanningstunnelmikroskopi til at få et atomopløst billede af oxidets overflade, og observerede dens udvikling under væksten af ​​en anden oxidfilm ovenpå.

"I stedet for at se en perfekt flad, firkantet gitter, som forskere troede, at disse grænseflader var før, vi fandt en anderledes og meget kompliceret atomorden, "sagde Baddorf." Vi er virkelig nødt til at revurdere, hvad vi ved om disse materialer. "

Oxider kan bruges i forskellige kombinationer for at producere unikke resultater. For eksempel, isoleret, to oxider kan være isolatorer, men sammen kan grænsefladen blive ledende. Ved at se atomstrukturen af ​​et oxid, forskere kan mere effektivt koble oxider til at udføre optimalt i avancerede teknologiske applikationer såsom transistorer.

Kalinin siger, at den korrekte anvendelse af disse grænsefladebaserede materialer kan åbne nye veje til udvikling af computerprocessorer og energilagrings- og konverteringsenheder, samt forståelse af grundlæggende fysik, der styrer disse materialer.

"I de sidste 10 år har der har kun været begrænsede fremskridt med at udvikle informationsteknologier ud over silicium, "Kalinin sagde." Silicium har begrænsninger, der er nået, og dette har motiveret folk til at undersøge andre muligheder. "

Atomisk opløsning af grænsefladestrukturer under oxidvækst vil bedre sætte forskere i stand til at identificere defekter ved visse populære oxidkombinationer og kunne hjælpe med at indsnævre valg af oxider til at anspore nye eller mere effektive kommercielle applikationer.