Het bewijs dat een nieuw vermogen om dunne films te laten groeien van een belangrijke klasse van materialen, complexe oxiden genaamd, zal Voor de eerste keer, deze materialen commercieel haalbaar maken, volgens materiaalwetenschappers van Penn State.

Complexe oxiden zijn kristallen met een samenstelling die doorgaans bestaat uit zuurstof en ten minste twee andere, verschillende elementen. In hun kristallijne vorm en afhankelijk van de combinatie van elementen, complexe oxiden vertonen een enorm scala aan eigenschappen.

"Complexe oxiden worden soms functionele materialen genoemd, omdat ze letterlijk overal goed voor zijn, " zegt Roman Engel-Herbert, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, scheikunde en natuurkunde, Penn State.

De specifieke complexe oxiden waarop zijn groep zich richt, worden perovskietoxiden genoemd. De kristalstructuur - de rangschikking van atomen - van dit materiaal bevat twee positief geladen ionen die kunnen worden vervangen door bijna alle elementen van het periodiek systeem die positief geladen ionen vormen. Afhankelijk van het type atomen dat wordt gesubstitueerd, de onderzoekers kunnen alle eigenschappen krijgen waarin ze geïnteresseerd zijn, inclusief magnetisme, ferro-elektriciteit, pyro- en piëzo-elektriciteit - het vermogen om warmte waar te nemen en erop te reageren en om elektriciteit om te zetten in mechanische beweging of omgekeerd, en zelfs supergeleiding.

Tot nu, het vermogen om deze materialen te gebruiken als dunne films voor elektronica en sensoren is belemmerd door ofwel een zeer langzame groeisnelheid of een gebrek aan stoichiometriecontrole, d.w.z. de hoeveelheid positief geladen ionen in het kristal in de juiste verhouding houden. Het is nog lastiger dat er tot nu toe geen commercieel levensvatbare integratiestrategie is gevonden om deze functionele oxiden op een schaalbare en commercieel haalbare manier te combineren met bestaande halfgeleidertechnologie.

"Om de industrie te laten profiteren van de dramatische doorbraken die we hebben gezien op dit gebied van complex oxide-onderzoek, we moeten deze dunne films op de een of andere manier integreren in apparaten met behulp van technologieën die compatibel zijn met bestaande industriële productieprocessen, Engel-Herbert zegt. "Daarvoor heb je niet alleen het juiste substraat nodig waarop je de folie kunt kweken, u moet er ook voor zorgen dat de substraten groot genoeg zijn om technologie te vertalen naar industriële schaal. Hoewel dergelijke substraten (nog) niet bestaan, nu is er een manier om deze kloof te overbruggen."

Om dit probleem op te lossen, De groep van Engel-Herbert laat dikke lagen complexe oxiden bovenop een siliciumwafel groeien. Deze dikke laag, soms aangeduid als een 'virtueel substraat' is structureel en chemisch compatibel met de beoogde complexe oxide dunne filmlaag, waardoor de functie van een echt bulkoxidesubstraat wordt nagebootst. Deze materiaalstrategie vereist niet alleen een nauwkeurige controle van de groeiomstandigheden om een ​​structureel perfect virtueel substraat te garanderen dat kan dienen als een

platform om functionele oxidefilms direct op silicium te integreren, maar ook voldoende snelle groeipercentages. Deze methode, hoewel het goed ingeburgerd is op het gebied van halfgeleiderwetenschap, is nooit toegepast op complexe oxiden. De belangrijkste belemmering voor de ontwikkeling ervan was de tergend langzame groeisnelheid voor complexe dunne oxidefilms, ongeveer vier angstrom per minuut, of vier tienden van een nanometer. Bij zulke lage snelheden zou de groei van een voldoende dikke complexe oxidelaag vijf tot zes uur vergen.

"Als je een virtueel substraat wilt gebruiken in plaats van een conventioneel bulk eenkristalsubstraat, je hebt orden van grootte hogere groeipercentages nodig. Onze doorbraak laat zien dat we deze tijd nu kunnen terugbrengen van enkele uren tot een paar minuten terwijl we perfecte controle behouden over de kwaliteit van het materiaal, ’ zegt Engel-Herbert.

De groep heeft met succes groeipercentages van ongeveer twee angstrom per seconde aangetoond. Hun resultaten geven verder aan dat zelfs hogere groeisnelheden mogelijk zijn, de weg vrijmaken voor een commercieel haalbare integratiestrategie voor deze functionele klasse van materialen met silicium.

"Tot nu toe werden er slechts 3-inch siliciumwafers gebruikt, maar dit is alleen omdat onze groeikamer in het laboratorium niet is ingericht om grotere Si-wafels te verwerken, "zegt hij. "Er is geen reden waarom dit niet kan op commerciële siliciumwafels van 10 inch."

Een bijkomend voordeel naast een veel snellere groeisnelheid zijn de sterk verminderde kosten om oxidesubstraten te produceren. Met prijzen die een fractie zijn van de kosten voor de momenteel beschikbare bulkoxidesubstraten, onderzoekers zouden er ook baat bij hebben, wat leidt tot complexere oxide-dunne-film-experimenten en dus snellere vooruitgang op dit onderzoeksgebied. Aangezien de eigenschappen van functionele complexe oxiden een breed bereik beslaan, mogelijke toekomstige technologieën die mogelijk worden gemaakt door en profiteren van schaalbare complexe virtuele oxidesubstraten zijn wijdverbreid:van kwantumcomputers op basis van supergeleidende qubits, sensoren, actuatoren en Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) tot aan frequentieflexibele apparaten die worden overwogen voor toekomstige uitzendfrequentiestandaarden in 5G-netwerken.

Extra auteurs op het papier, online gepubliceerd in Natuurcommunicatie , getiteld "Scaling groeisnelheden voor perovskietoxide virtuele substraten op silicium, " zijn promovendus en hoofdauteur Jason Lapano, voormalig postdoctoraal wetenschapper Matthew Brahlek, voormalig afgestudeerde student Lei Zhang, huidige doctoraat student Joseph Roth en huidige postdoctoraal onderzoeker Alexej Pogrebnyakov.