Elektrongas på isolatorernes overflade åbner vej til multifunktionelle transistorer

Det er lykkedes franske forskere at skabe et ledende lag på overfladen af ​​strontiumtitanat (SrTiO) ₃ ), et gennemsigtigt isoleringsmateriale, der anses for at være meget lovende for udviklingen af ​​fremtidige mikroelektronikapplikationer. To nanometer tyk, dette ledende lag er en todimensionel metallisk elektrongas (2DEG), der er en del af det isolerende materiale. Let at fremstille, det åbner nye muligheder for elektronik baseret på overgangsmetaloxider (SrTiO ₃ familie), drage fordel af disse materialers store udvalg af fysiske egenskaber (superledning, magnetisme, termoelektricitet, osv.) for at integrere en række forskellige funktioner i en enkelt mikroelektronisk enhed. Et papir, der forklarer denne uventede opdagelse, stammer fra forskning ved SOLEIL synkrotron, blev offentliggjort den 13. januar, 2011 udgave af Natur magasin.

Nutidens mikroelektroniske komponenter består af lag af halvledere på et siliciumsubstrat. For at opretholde tempoet i periodiske opgraderinger af ydeevnen af ​​mikroelektroniske enheder efter 2020, alternative teknologiske løsninger undersøges. Forskere retter i stigende grad deres opmærksomhed mod overgangsmetaloxider, som tilbyder lovende fysiske egenskaber såsom superledning, magnetomodstand, termoelektricitet, multiferroicitet og fotokatalytisk kapacitet.

Inden for denne familie af materialer, strontiumtitanat (SrTiO ₃ ) har været genstand for omfattende forskning. Dette isoleringsmateriale bliver en god leder, når det er dopet, for eksempel ved at skabe nogle få overflade ilt ledige pladser. Grænsefladerne mellem SrTiO3 og andre oxider (LaTiO3 eller LaAlO3) er ledende, selvom de to materialer er isolatorer. I øvrigt, de tilbyder egenskaber som superledning, magnetoresistens og termoelektricitet, med meget gode præstationer ved stuetemperatur. Problemet, imidlertid, er, at grænseflader mellem oxider er meget vanskelige at fremstille.

Nu er en uventet opdagelse sprunget gennem denne teknologiske barriere. Et internationalt hold ledet af forskere ved CNRS og Université Paris-Sud 11 har produceret en todimensionel metallisk elektrongas (2DEG) på overfladen af ​​SrTiO ₃ . Dette ledende lag, cirka to nanometer tyk, blev opnået ved at vakuumspalte et stykke strontiumtitanat, en meget enkel og økonomisk proces. De konstituerende elementer i SrTiO ₃ er naturressourcer tilgængelige i store mængder, og forbindelsen er ikke-toksisk, i modsætning til de materialer, der er mest udbredt i mikroelektronik i dag (vismuttellurider). Ud over, 2DEG'er kunne sandsynligvis skabes på overfladen af ​​andre overgangsmetaloxider ved hjælp af en lignende teknik.

Opdagelsen af ​​et ledende lag af denne type (der ikke kræver tilføjelse af et lag af et andet materiale) er et væsentligt skridt fremad for oxidbaseret mikroelektronik. Det kunne gøre det muligt at kombinere overgangsmetaloxidernes iboende multifunktionelle egenskaber med det todimensionelle metals egenskaber på deres overflade. Mulige udviklinger kunne omfatte koblingen af ​​et ferroelektrisk oxid med elektrongassen på overfladen for at producere ikke-flygtige hukommelser, eller inkludering af gennemsigtige kredsløb på overfladen af ​​solceller eller berøringsskærme.

2DEG på overfladen af ​​strontiumtitanat blev identificeret og undersøgt i eksperimenter ved brug af vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) ved SOLEIL-synkrotronen i Saint-Aubin, Frankrig, og Synchrotron Radiation Center ved University of Wisconsin, USA.