Hvordan man overvinder oxidbarrieren

(Phys.org) – Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory har afsløret egenskaberne ved en lav-modstands elektrisk kontakt til strontiumtitanat, SrTiO ₃ , en vigtig prototypisk oxidhalvleder. Oxider vil sandsynligvis være vigtige materialer i næste generations elektroniske enheder, og de skal være ekstremt små. Det er svært at få elektriske signaler ind og ud af oxidhalvledere, fordi der typisk udvikles en stor energibarriere ved krydset med metalkontakter. Metalkontakter er nødvendige for at få elektricitet ind og ud af en halvlederenhed på samme måde som startkabler er nødvendige for at overføre strøm fra et sundt bilbatteri til et dødt batteri. Dette arbejde viser, hvordan man fjerner denne barriere, mens kontaktområdet holdes ekstremt lille, på nanometerniveau.

Uanset om det er til avancerede forsvarssystemer eller forbrugerprodukter, vi som nation er altid på udkig efter bedre ydeevne og nye funktioner fra vores kommunikationsteknologier. Endnu, grænserne for, hvad der kan opnås med konventionelle halvledere, såsom silicium, er tydeligt i horisonten. Dette arbejde repræsenterer et vigtigt fremskridt i brugen af ​​oxider, som i sagens natur gør det muligt at forestille sig og implementere nye elektroniske funktioner.

Krystallinske film af chrommetal blev aflejret på enkeltkrystaloverflader af strontiumtitanat i ultrahøjt vakuum under anvendelse af molekylær stråleepitaxi. De resulterende heterojunctions, hvor to forskellige materialer kommer i kontakt, blev karakteriseret med scanning transmission elektronmikroskopi, elektron energitab spektroskopi, ultraviolet og røntgenfotoelektronspektroskopi, og første-principper teoretisk modellering baseret på tæthed funktionel teori. Tidligere arbejde fra de samme PNNL-forskere havde vist, at den elektriske modstand i dette kryds er så lav, som nogensinde er blevet målt, men årsagerne til dette resultat var ikke kendte.

Andre lavmodstandsmetalliseringer er kendte, men at danne dem involverer en noget rodet blanding af metaller og hvad der er effektivt lokaliseret smeltning ved krydset. Denne tilgang er ikke nyttig for enheder i nanoskala på grund af lateral spredning som følge af legering i krydset.

Detaljeret undersøgelse viste, at ækvivalenten til 1 eller 2 atomlag af chrom diffunderer ind i strontiumtitanatet, optage mellemliggende websteder, og forankrer resten af ​​filmen til oxidet, resulterer i stærk vedhæftning. De in-diffuserede chromatomer overfører også elektroner til titaniumatomer i de øverste få atomplaner, effektivt at fjerne den energibarriere, der ellers ville være til stede, hvis denne diffusion og ladningsoverførsel ikke havde fundet sted, og konvertere overfladen af ​​strontiumtitanatet til et metal. Den resulterende forbindelse er således en "metal/metal" snarere end en "metal/halvleder"-grænseflade. Men, i modsætning til andre metal/oxid-grænseflader med lav kontaktmodstand, denne forbindelse er strukturelt og kompositionsmæssigt veldefineret og næsten atomisk abrupt.

Elektronik generelt og computere i særdeleshed repræsenterer et stort energiforbrug over hele kloden. Dette arbejde viser, hvordan effekttab kan reduceres i driften af ​​en enhed, der bruger en oxidhalvleder som en aktiv ingrediens. Det næste trin er at bruge krystallinsk krom som en elektrisk kontakt i mere avancerede flerlagsstrukturer, der kan være nyttige ikke kun i oxidelektronik, men også i oxidbaserede solceller. Andet fremtidigt arbejde involverer at søge efter andre metaller, der har de samme nyttige egenskaber som chrom til dette formål.