Dunne lagen oxidematerialen en hun grensvlakken zijn voor het eerst waargenomen in atomaire resolutie tijdens de groei door onderzoekers van het Center for Nanophase Materials Sciences van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, nieuw inzicht geven in de gecompliceerde link tussen hun structuur en eigenschappen.

"Stel je voor dat je plotseling in kleur kon zien, of in 3D, "Zei Sergei Kalinin van het CNMS. "Zo dichtbij hebben we deze zeer kleine interfaces kunnen bekijken."

Het artikel is online gepubliceerd in ACS Nano met ORNL's Junsoo Shin als hoofdauteur.

Een onderdeel van magneto-elektronica en spintronica, oxide-interfaces hebben het potentieel om op silicium gebaseerde micro-elektronische apparaten te vervangen en het vermogen en het geheugenbehoud van andere elektronische technologieën te verbeteren.

Echter, oxide-interfaces zijn moeilijk te analyseren op atomaire schaal, omdat zodra de oxiden uit hun groeikamer zijn verwijderd, ze verontreinigd raken. Om dit probleem te omzeilen, ORNL-onderzoekers onder leiding van Art Baddorf hebben een uniek systeem gebouwd dat scanning-tunnelingmicroscopie en lage-energie-elektronendiffractie mogelijk maakt om beelden van de bovenste laag van het oxide in situ vast te leggen, of nog steeds in de vacuümkamer waar de materialen werden gekweekt door krachtige laserpulsen.

Veel studies van vergelijkbare oxide-interfaces gebruiken een blik van opzij, typisch bereikt door aberratie gecorrigeerde scanning transmissie elektronenmicroscopie (STEM). Het ORNL-team heeft deze dwarsdoorsnedebeelden gebruikt om de oxide-organisatie in kaart te brengen.

Echter, als een boterham, oxide-interfaces kunnen meer zijn dan wat ze van de zijkant lijken. Om de interactieve laag van het bovenste en onderste oxide te observeren, de groep heeft scanning tunneling microscopie gebruikt om een ​​atomair opgelost beeld te krijgen van het oppervlak van het oxide, en observeerde de evolutie ervan tijdens de groei van een tweede oxidefilm bovenop.

"In plaats van een perfect vlak te zien, vierkant rooster waarvan wetenschappers dachten dat deze interfaces eerder waren, vonden we een andere en zeer gecompliceerde atomaire ordening, " zei Baddorf. "We moeten echt opnieuw beoordelen wat we weten over deze materialen."

Oxiden kunnen in verschillende combinaties worden gebruikt om unieke resultaten te produceren. Bijvoorbeeld, geïsoleerd, twee oxiden kunnen isolatoren zijn, maar samen kan het grensvlak geleidend worden. Door de atomaire structuur van één oxide te bekijken, wetenschappers kunnen oxiden effectiever koppelen om optimaal te presteren in geavanceerde technologische toepassingen zoals transistors.

Kalinin zegt dat de juiste toepassing van deze op interfaces gebaseerde materialen nieuwe wegen kan openen voor de ontwikkeling van computerprocessors en apparaten voor energieopslag en -conversie, evenals het begrijpen van de basisfysica die deze materialen bestuurt.

"In de afgelopen 10 jaar er is slechts beperkte vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van informatietechnologieën die verder gaan dan silicium, Kalinin zei. "Silicium heeft beperkingen die zijn bereikt, en dit heeft mensen gemotiveerd om andere opties te onderzoeken."

Atomaire resolutie van interfacestructuren tijdens oxidegroei zal wetenschappers beter in staat stellen defecten van bepaalde populaire oxidecombinaties te identificeren en zou kunnen helpen bij het verkleinen van selecties van oxiden om nieuwe of efficiëntere commerciële toepassingen te stimuleren.