Forskere løser mysteriet omkring dielektriske egenskaber ved unikt metaloxid

Et forskerhold ledet af Twin Cities fra University of Minnesota har løst et mangeårigt mysterium omkring strontiumtitanat, et usædvanligt metaloxid, der kan være en isolator, en halvleder eller et metal. Forskningen giver indsigt i fremtidige anvendelser af dette materiale til elektroniske enheder og datalagring.

Artiklen er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Når en isolator som strontiumtitanat placeres mellem modsat ladede metalplader, får det elektriske felt mellem pladerne de negativt ladede elektroner og de positive kerner til at stille op i feltets retning. Denne ordnede opstilling af elektroner og kerner modstås af termiske vibrationer, og ordensgraden måles af en fundamental størrelse kaldet dielektrisk konstant. Ved lav temperatur, hvor de termiske vibrationer er svage, er dielektricitetskonstanten større.

I halvledere spiller dielektricitetskonstanten en vigtig rolle ved at give effektiv "screening" eller beskyttelse af de ledende elektroner fra andre ladede defekter i materialet. For anvendelser i elektroniske enheder er det afgørende at have en stor dielektrisk konstant.

Højkvalitetsprøver i centimeterstørrelse af strontiumtitanat udviser en målt dielektrisk konstant ved lav temperatur på 22.000, hvilket er ret stort og opmuntrende til anvendelser. Men de fleste applikationer i computere og andre enheder kræver tynde film. På trods af en enorm indsats fra mange forskere ved hjælp af forskellige metoder til at dyrke tynde film, er der kun opnået en beskeden dielektrisk konstant på 100-1.000 i tynde film af strontiumtitanat.

I tynde film, som kun kan være nogle få atomlag tykke, kan grænsefladen mellem filmen og substratet, eller filmen og det næste lag op, spille en vigtig rolle.

Bharat Jalan, seniorforfatter på papiret, professor og Shell Chair ved University of Minnesota's Department of Chemical Engineering and Materials Science, teoretiserede, at disse "begravede" grænseflader kunne maskere den sande dielektriske konstant for strontiumtitanat. Ved omhyggeligt at redegøre for denne maskeringseffekt opdagede Jalan og hans elever, at den sande dielektriske konstant for deres strontiumtitanatfilm overstiger 25.000 – den højeste nogensinde målt for dette materiale.

Resultaterne af Jalan og hans studerende og samarbejdspartnere giver kritisk indsigt i rollen af ​​grænseflader mellem en isolator og et metal, som findes i kondensatorstrukturer, der er allestedsnærværende i moderne teknologi, selv når både metallet og isolatoren er afledt af det samme materiale.

"Halvledere er blandt de vigtigste materialer, der bruges i moderne teknologi," sagde Jalan. "Selvom der er meget kendt om konventionelle halvledere såsom silicium og galliumarsenid, er der flere uløste mysterier omkring oxidhalvledere som strontiumtitanat."

Jalan sagde, at de med denne forskning løste et langvarigt problem vedrørende de lave dielektriske konstanter i strontiumtitanatfilm gennem defekt- og grænsefladekontrol.

"Disse resultater bygger på en bemærkelsesværdig rekord af succes for metoden til filmvækst, kendt som hybrid Molecular Beam Epitaxy, opdaget af Jalan," sagde Richard James, en Distinguished McKnight University Professor i Department of Aerospace Engineering and Mechanics, og en co. -forfatter i undersøgelsen. "Kvaliteten af ​​filmene fra Jalans gruppe er virkelig enestående."

Den studerende, der ledede vækstindsatsen, var Zhifei Yang, kandidatstuderende ved School of Physics and Astronomy ved University of Minnesota under tilsyn af Jalan.

"Det var ret givende at se, at en grænseflade, der kun er nogle få atomlag tykke, kan have en enorm indflydelse på den målte værdi," sagde Yang om opdagelsen af ​​høje dielektriske konstanter. + Udforsk yderligere

Undersøgelse afdækker, hvordan strukturelle ændringer påvirker de superledende egenskaber af et metaloxid