De magnetische, geleidende en optische eigenschappen van complexe oxiden maken ze de sleutel tot componenten van de volgende generatie elektronica die wordt gebruikt voor gegevensopslag, voelen, energietechnologieën, biomedische apparaten en vele andere toepassingen.

Door ultradunne complexe oxide-eenkristallagen te stapelen - die zijn samengesteld uit geometrisch gerangschikte atomen - kunnen onderzoekers nieuwe structuren creëren met hybride eigenschappen en meerdere functies. Nutsvoorzieningen, met behulp van een nieuw platform ontwikkeld door ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Madison en het Massachusetts Institute of Technology, onderzoekers zullen deze gestapelde kristalmaterialen in vrijwel onbeperkte combinaties kunnen maken.

Het team publiceerde op 5 februari details over het voorschot in het tijdschrift Natuur .

Epitaxie is het proces waarbij het ene materiaal op een ordelijke manier op het andere wordt gedeponeerd. De nieuwe laagmethode van de onderzoekers overwint een grote uitdaging in conventionele epitaxie - dat elke nieuwe complexe oxidelaag nauw compatibel moet zijn met de atomaire structuur van de onderliggende laag. Het lijkt op het stapelen van Legoblokken:de gaten aan de onderkant van het ene blok moeten uitgelijnd zijn met de verhoogde stippen bovenop het andere. Als er een mismatch is, de blokken passen niet goed in elkaar.

"Het voordeel van de conventionele methode is dat je een perfect monokristal op een substraat kunt laten groeien, maar je hebt een beperking, " zegt Chang-Beom Eom, een UW-Madison hoogleraar materiaalkunde en techniek en natuurkunde. "Als je het volgende materiaal kweekt, je structuur moet hetzelfde zijn en je atomaire afstand moet vergelijkbaar zijn. Dat is een beperking, en buiten die beperking, het groeit niet goed."

Een paar jaar geleden, een team van MIT-onderzoekers ontwikkelde een alternatieve aanpak. Onder leiding van Jeehwan Kim, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde en techniek aan het MIT, de groep voegde een ultradunne tussenlaag toe van een uniek koolstofmateriaal, grafeen genaamd, vervolgens epitaxie gebruikt om daarbovenop een dunne laag halfgeleidend materiaal te laten groeien. Slechts één molecuul dik, het grafeen werkt als een afpelbare achterkant vanwege de zwakke binding. De onderzoekers konden de halfgeleiderlaag uit het grafeen halen. Wat overbleef was een vrijstaande ultradunne laag halfgeleidend materiaal.

Eom, een expert in complexe oxidematerialen, zegt dat ze intrigeren omdat ze een breed scala aan afstembare eigenschappen hebben - waaronder meerdere eigenschappen in één materiaal - die veel andere materialen niet hebben. Dus, het was logisch om de peel-away-techniek toe te passen op complexe oxiden, die veel uitdagender zijn om te groeien en te integreren.

"Als je dit soort knip-en-plakgroei en verwijdering hebt, gecombineerd met de verschillende functionaliteit van het samenvoegen van monokristallijne oxidematerialen, je hebt een geweldige mogelijkheid om apparaten te maken en wetenschap te doen, " zegt Eom, die daar in 2014 tijdens een sabbatical contact had met werktuigbouwkundigen aan het MIT.

De onderzoeksgroepen van Eom en Kim hebben hun expertise gecombineerd om ultradunne complexe oxide-eenkristallagen te creëren, opnieuw met behulp van grafeen als het afpelbare tussenproduct. Belangrijker, echter, ze overwonnen een voorheen onoverkomelijk obstakel - het verschil in kristalstructuur - bij het integreren van verschillende complexe oxidematerialen.

"Magnetische materialen hebben één kristalstructuur, terwijl piëzo-elektrische materialen een andere hebben, " zegt Eom. "Je kunt ze dus niet op elkaar laten groeien. Als je ze probeert te laten groeien, het wordt gewoon rommelig. Nu kunnen we de lagen afzonderlijk laten groeien, pel ze af, en integreren."

In zijn onderzoek heeft het team demonstreerde de doeltreffendheid van de techniek met behulp van materialen zoals perovskiet, spinel en granaat, onder verschillende anderen. Ze kunnen ook enkelvoudige complexe oxidematerialen en halfgeleiders stapelen.

"Dit opent de mogelijkheid voor de studie van nieuwe wetenschap, wat in het verleden nooit mogelijk was omdat we het niet konden laten groeien, " zegt Eom. "Deze stapelen was onmogelijk, maar nu is het mogelijk om oneindige combinaties van materialen voor te stellen. Nu kunnen we ze samenvoegen."

De vooruitgang opent ook deuren naar nieuwe materialen met functionaliteiten die toekomstige technologieën aandrijven.

"Dit voorschot, wat onmogelijk zou zijn geweest met conventionele dunnefilmgroeitechnieken, maakt de weg vrij voor bijna onbeperkte mogelijkheden in materiaalontwerp, " zegt Evan Runnerström, programmamanager materiaalontwerp bij het Legeronderzoeksbureau, die een deel van het onderzoek financierde. "Het vermogen om perfecte interfaces te creëren en tegelijkertijd verschillende klassen van complexe materialen te koppelen, kan geheel nieuwe gedragingen en afstembare eigenschappen mogelijk maken, die mogelijk kunnen worden gebruikt voor nieuwe legercapaciteiten op het gebied van communicatie, herconfigureerbare sensoren, laag machtselektronika, en kwantuminformatiewetenschap."