Analyse van een team onder leiding van Argonne-onderzoekers onthult nooit eerder vertoonde details over een type dunne film dat wordt onderzocht voor geavanceerde micro-elektronica.

Onderzoek van een team onder leiding van wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) biedt een nieuwe, nanoscopische weergave van complexe oxiden, die veelbelovend zijn voor geavanceerde micro-elektronica.

Complexe oxiden zijn multifunctionele materialen die op termijn kunnen leiden tot energiezuinige, geavanceerde elektronische geheugencomponenten en kwantumcomputerapparatuur. Over het algemeen, deze materialen worden laag voor laag geproduceerd op een atomair afgestemde ondergrond, een proces dat bekend staat als epitaxiale groei.

Om complexe oxiden in elektronica te gebruiken, ze moeten op silicium worden geproduceerd - een onmogelijke taak voor bestaande epitaxiale groeitechnieken, omdat de atomaire structuren van deze twee materialen niet overeenkomen. Een mogelijke oplossing is om de complexe oxiden elders te laten groeien en de film vervolgens over te brengen naar een ander substraat. Echter, een belangrijke vraag rijst:blijven de lokale eigenschappen van een complexe oxide-dunne film intact als je deze van het ene substraat optilt en op een ander deponeert?

Het nieuwe onderzoek onthult inzichten over vrijstaande complexe oxiden die uiteindelijk een geheel nieuw onderzoeksgebied zouden kunnen creëren:complexe oxide-micro-elektronica. Het werk is gedetailleerd in een document, "Ferro-elektrische domeinwandbeweging in vrijstaande enkelkristal complexe oxide dunne film, " onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Met behulp van scanning probe microscopie, het team bestudeerde loodzirkoniumtitanaat (PZT), een type monokristallijne complexe oxide ferro-elektrische dunne film. Dergelijke monokristallijne films hebben eigenschappen die ideaal zijn voor micro-elektronica:ze zijn sterk gepolariseerd, draaglijk en snel schakelbaar, waardoor ze geschikt zijn voor toekomstige ferro-elektrische geheugenchips met willekeurige toegang, bijvoorbeeld.

Het kweken van deze dunne films vereist temperaturen van ongeveer 700 ° C (1292 ° F), dat de eigenschappen van de grenslaag verslechtert als het rechtstreeks op silicium wordt gekweekt. Dus de onderzoekers groeiden de PZT op een meer ontvankelijk substraat - een basis van strontiumtitanaat (STO) met een "opofferingslaag" van lanthaan strontiummanganiet (LSMO) ertussenin. Om de PZT-dunne film over te brengen op een ander substraat, de onderzoekers verbraken de banden die het met de LSMO verenigden.

"PZT groeit prachtig op LSMO, " zei Saidur Rahman Bakaul, een assistent materiaalwetenschapper bij Argonne die de studie leidde. "We wilden zien wat er gebeurt als we die interface weghalen."

Na het transformeren van de PZT in een vrijstaande film, het onderzoeksteam draaide de film om en legde deze voorzichtig opnieuw op een identiek STO-LSMO-substraat. Hierdoor kon voor het eerst de vrijstaande onderkant van de PZT worden bekeken.

"Het is alsof je naar de andere kant van de maan kijkt, die je normaal niet ziet, ' zei Bakaul.

Het team gebruikte elektrostatische krachtmicroscopie met sondes met een straal van 20 nanometer om de lokale ferro-elektrische eigenschappen van het materiaal te meten. Hun analyse toonde aan dat de lokale statische eigenschappen van het onderoppervlak van vrijstaande PZT vrij gelijkaardig waren in vergelijking met die van het bovenoppervlak. Deze vonst, Bakaul zei, is zeer bemoedigend voor toekomstige complexe oxide-micro-elektronica, omdat het bevestigt dat het grensvlak van de overgedragen PZT-film een ​​hoogwaardige ferro-elektrische laag is. Dat betekent dat de transfertechniek de beste materialen uit verschillende werelden moet kunnen combineren, zoals PZT (ferro-elektrisch) en silicium (halfgeleiders). Tot dusver, geen enkele directe groeitechniek heeft dit bereikt zonder het grensvlak te beschadigen.

Met behulp van piëzoresponskrachtmicroscopiebeelden, wetenschappers ontdekten dat de snelheid van de ferro-elektrische domeinwand van de losgemaakte laag - een maat voor het elektrostatische energielandschap van complexe oxiden - bijna 1 was. 000 keer langzamer dan sterk gebonden as-grown PZT-films.

Om erachter te komen waarom, het team onderzocht eerst de atomaire lagen aan de onderkant van de PZT-film met atomaire krachtmicroscopie, die afwijkingen aan het oppervlak aan het licht bracht. Voor een nog betere blik, ze wendden zich tot Argonne's Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, waar ze een röntgen-nanosonde gebruikten om de hellingen in atomaire vlakken te zien, onthullende nooit eerder vertoonde rimpelingen.

de rimpelingen, Bakaul zei, stijgen tot de hoogte van slechts een miljoenste van de diameter van een speldenknop, maar kan nog steeds een sterk elektrisch veld creëren dat de domeinmuur verhindert te bewegen, bleek uit de theoretische analyse. Deze claim werd verder ondersteund met metingen van een scanningcapaciteitsmicroscoop.

De aanwezigheid van dergelijke structurele rimpelingen in complexe oxiden, die vroeger bekend stond als onbuigbaar keramiek, is een opwindende nieuwe wetenschappelijke ontdekking en een toekomstige speeltuin om sterke, door spanningsgradiënten veroorzaakte fysieke fenomenen zoals flexo-elektrische effecten te verkennen. Echter, in micro-elektronische apparaten, deze kleine rimpelingen kunnen variabiliteit van apparaat tot apparaat veroorzaken.

Het werk, die werd ondersteund door DOE's Office of Basic Energy Sciences, biedt een uniek en belangrijk detailniveau over de eigenschappen van vrijstaande complexe oxide dunne films.

"Onze studie toont aan dat dit materiaal klaar is voor toekomstige micro-elektronische toepassingen, " Bakaul zei, "maar het vereist verder onderzoek naar manieren om deze rimpelingen te vermijden."