Todimensionelle nanoark muliggør højkvalitets tyndfilmsorienteringskontrol

En forskergruppe bestående af Dr. Takayoshi Sasaki, NIMS-stipendiat, Dr. Tatsuo Shibata, post-doc forsker, og andre samarbejdspartnere ved International Center for Materials Nanoarchitectonics fra National Institute for Materials Science har med succes udviklet en ny teknologi til at muliggøre orienteret vækst af højkvalitets perovskitoxid-tynde film, som er vigtige funktionelle materialer, i valgt foretrukken orientering på enhver type substrat, såsom et glassubstrat.

Mange af de avancerede elektroniske og optoelektroniske enheder omkring os har inkorporeret komponenter ved hjælp af krystallinske tynde film lavet af forskellige funktionelle materialer, der spiller en vigtig rolle i, at enhederne opnår deres funktioner. Perovskit oxider, som kendetegnet ved bariumtitanat, repræsentere en sådan klasse af funktionelle materialer, der giver nyttige egenskaber, såsom ferroelektricitet og piezoelektricitet, og de anvendes i vid udstrækning til MEMS, sensorer og hukommelse. Disse karakteristika afhænger stærkt af faktorer som krystalorientering, krystallinitet og grad af orientering. Derfor, kontrol med væksten af ​​de tynde film udgør en afgørende udfordring. Et almindeligt valg for dyrkning af høj kvalitet, velorienterede krystallinske tynde film er epitaksial vækst, der bruger enkeltkrystalsubstrater med en krystalstruktur, der ligner den for målkrystallen. Imidlertid, de høje omkostninger og størrelsesbegrænsninger forbundet med metoden forhindrer bredere anvendelse. Udviklingen af ​​en teknologi, der muliggør velorienteret højkvalitets krystalvækst på et billigt og konventionelt underlag, såsom glas og plastik, har været ventet med spænding.

Forskergruppen gjorde brug af et bibliotek af uorganiske nanoark, som er grafenlignende stoffer opnået ved at eksfoliere en lagdelt forbindelse i enkeltlag. Fra biblioteket, gruppen valgte tre typer oxid nanoark, der var kompatible med strukturen af ​​den ønskede orientering, og samlet dem på overfladen af ​​et glas eller andet substrat ved hjælp af en opløsningsproces, eliminering af overlapninger og huller så vidt muligt, at danne et ultratyndt underlag (frølag) med en tykkelse omkring 1 nanometer. Et krystallinsk tyndt lag af perovskit-type oxid blev aflejret på underlaget ved en dampfase-proces. Som resultat, gruppen lykkedes med at dyrke tynde film, mens de kontrollerede deres orienteringer til (100), (110) og (111) orienteringer, som er de vigtigste orienteringer, der bruges til perovskitkrystaller, at strukturelt matche det todimensionelle gitter af de respektive nanoark. Denne teknik viste klart en yderligere fordel ved at muliggøre krystalvækst med en højere grad af frihed end i konventionelle teknikker, fordi i modsætning til en almindelig enkeltkrystal substratoverflade, nanoark har ingen dinglende bindinger. De opnåede tynde film viste to gange eller mere større dielektrisk ydeevne end ikke-orienterede tynde film, demonstrerer effektiviteten af ​​denne teknik fra aspektet af funktionel forbedring.

Dette forskningsresultat gjorde det muligt at dyrke tynde film af perovskitoxid, som er vigtige funktionelle materialer, mens de kontrollerer deres orienteringer, ved at belægge substratoverfladen med et nanoark, som kan betragtes som et "mønstret tapet med en tykkelse på nanoniveau." Da denne nye teknik er omkostningseffektiv og yderst universel, idet den tillader brugen af ​​konventionelle substrater såsom glas og plast, der ikke kunne bruges før, og at nanoarket kan coates på substratoverfladen ved en stuetemperaturopløsningsproces, det kan have betydelige ringvirkninger på og bringe teknologisk innovation i applikationer til MEMS og sensorer.

Denne forskning blev udført som en del af forskningsprojektet " Udvikling af nanomaterialer/fremstillingsprocesser til næste generations elektronik ved hjælp af uorganiske nanoplader" (projektleder:Takayoshi Sasaki) i "Etablering af innovativ fremstillingsteknologi baseret på Nanoteknologi " Forskningsområde for evolutionens kerneforskning Videnskab &Technology (CREST) ​​Program for Japan Science and Technology Agency (JST). Dette resultat vil snart blive offentliggjort i Journal of Materials Chemistry C (The Royal Society of Chemistry).