(Phys.org) —Onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory hebben de kenmerken ontdekt van een elektrisch contact met lage weerstand tegen strontiumtitanaat, SrTiO ₃ , een belangrijke prototypische oxidehalfgeleider. Oxiden zijn waarschijnlijk belangrijke materialen in elektronische apparaten van de volgende generatie, en ze moeten extreem klein zijn. Het krijgen van elektrische signalen in en uit oxidehalfgeleiders is moeilijk omdat er zich typisch een grote energiebarrière ontwikkelt op de kruising met metalen contacten. Er zijn metalen contacten nodig om elektriciteit in en uit een halfgeleiderapparaat te krijgen, net zoals startkabels nodig zijn om de stroom van een gezonde auto-accu naar een lege accu over te brengen. Dit werk laat zien hoe deze barrière kan worden weggenomen terwijl het contactoppervlak extreem klein blijft, op nanometerniveau.

Of het nu gaat om geavanceerde verdedigingssystemen of consumentenproducten, wij als natie zijn altijd op zoek naar betere prestaties en nieuwe functies van onze communicatietechnologieën. Nog, de grenzen van wat kan worden bereikt met conventionele halfgeleiders, zoals silicium, zijn duidelijk aan de horizon. Dit werk vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in het gebruik van oxiden, die door hun fysieke aard het mogelijk maken om nieuwe elektronische functionaliteiten te bedenken en te implementeren.

Kristallijne films van chroommetaal werden afgezet op eenkristaloppervlakken van strontiumtitanaat in ultrahoog vacuüm met behulp van moleculaire bundelepitaxie. De resulterende heterojuncties, waar twee verschillende materialen met elkaar in contact komen, werden gekarakteriseerd met scanning transmissie-elektronenmicroscopie, elektronen energieverlies spectroscopie, ultraviolet- en röntgenfoto-elektronspectroscopie, en eerste-principes theoretische modellering op basis van dichtheidsfunctionaaltheorie. Eerder werk van dezelfde PNNL-onderzoekers had aangetoond dat de elektrische weerstand van deze kruising zo laag is als ooit is gemeten, maar de redenen voor dit resultaat waren niet bekend.

Andere metallisaties met lage weerstand zijn bekend, maar het vormen ervan omvat een ietwat rommelige mix van metalen en wat effectief gelokaliseerd smelt op de kruising. Deze benadering is niet nuttig voor apparaten op nanoschaal vanwege laterale verspreiding als gevolg van legering op de kruising.

Gedetailleerd onderzoek toonde aan dat het equivalent van 1 of 2 atomaire lagen chroom in het strontiumtitanaat diffunderen, interstitiële sites bezetten, en veranker de rest van de film aan het oxide, wat resulteert in een sterke hechting. De in-diffuse chroomatomen dragen ook elektronen over aan titaniumatomen in de bovenste paar atomaire vlakken, het effectief verwijderen van de energiebarrière die anders aanwezig zou zijn als deze diffusie en ladingsoverdracht niet had plaatsgevonden, en het omzetten van het oppervlak van het strontiumtitanaat in een metaal. De resulterende overgang is dus een "metaal/metaal" in plaats van een "metaal/halfgeleider"-interface. Maar, in tegenstelling tot andere metaal/oxide-interfaces met een lage contactweerstand, deze kruising is structureel en compositorisch goed gedefinieerd en bijna atomair abrupt.

Elektronica in het algemeen en computers in het bijzonder vertegenwoordigen wereldwijd een groot energieverbruik. Dit werk laat zien hoe vermogensdissipatie kan worden verminderd bij de werking van een apparaat dat een oxidehalfgeleider als actief ingrediënt gebruikt. De volgende stap is het gebruik van kristallijn chroom als elektrisch contact in meer geavanceerde meerlaagse structuren die niet alleen nuttig kunnen zijn in oxide-elektronica, maar ook in op oxide gebaseerde zonnecellen. Ander toekomstig werk omvat het zoeken naar andere metalen die voor dit doel dezelfde nuttige eigenschappen hebben als chroom.