Een onderzoeksgroep bestaande uit Dr. Takayoshi Sasaki, NIMS-collega, Dr. Tatsuo Shibata, postdoctoraal onderzoeker, en andere medewerkers van het International Center for Materials Nanoarchitectonics van het National Institute for Materials Science hebben met succes een nieuwe technologie ontwikkeld om gerichte groei van hoogwaardige perovskietoxide-dunne films mogelijk te maken, welke belangrijke functionele materialen zijn, in geselecteerde voorkeursoriëntatie op elk type substraat zoals een glassubstraat.

Veel van de geavanceerde elektronische en opto-elektronische apparaten om ons heen hebben componenten ingebouwd met behulp van kristallijne dunne films gemaakt van verschillende functionele materialen die een belangrijke rol spelen bij het bereiken van hun functies van de apparaten. Perovskietoxiden, zoals getypeerd door bariumtitanaat, vertegenwoordigen een dergelijke klasse van functionele materialen die nuttige eigenschappen biedt, zoals ferro-elektriciteit en piëzo-elektriciteit, en ze worden veel toegepast op MEMS, sensoren en geheugen. Deze kenmerken zijn sterk afhankelijk van factoren als kristaloriëntatie, kristalliniteit en oriëntatiegraad. Daarom, controle van de groei van de dunne films vormt een beslissende uitdaging. Een veel voorkomende keuze voor het kweken van hoogwaardige, goed georiënteerde kristallijne dunne films is epitaxiale groei die eenkristalsubstraten gebruikt met een vergelijkbare kristalstructuur als die van het doelkristal. Echter, de hoge kosten en groottebeperkingen die met de methode gepaard gaan, verhinderen een bredere toepassing. De ontwikkeling van een technologie die goed georiënteerde hoogwaardige kristalgroei mogelijk maakt op een goedkoop en conventioneel substraat, zoals glas en kunststof, er werd met spanning uitgekeken.

De onderzoeksgroep maakte gebruik van een bibliotheek van anorganische nanosheets, dit zijn grafeenachtige stoffen die worden verkregen door een gelaagde verbinding in enkele lagen te exfoliëren. Van de bibliotheek, de groep selecteerde drie soorten oxide-nanobladen die compatibel waren met de structuur van de gewenste oriëntatie, en ze geassembleerd op het oppervlak van een glas of ander substraat met behulp van een oplossingsproces, overlappingen en hiaten zoveel mogelijk te elimineren, om een ​​ultradunne onderlaag (zaadlaag) te vormen met een dikte van ongeveer 1 nanometer. Een kristallijne dunne laag van perovskiet-type oxide werd op de onderlaag afgezet door middel van een dampfaseproces. Als resultaat, de groep slaagde erin dunne films te laten groeien terwijl ze hun oriëntaties op de (100), (110) en (111) oriëntaties, wat de belangrijkste oriëntaties zijn die worden gebruikt voor perovskietkristallen, om structureel overeen te komen met het tweedimensionale rooster van de respectieve nanosheets. Deze techniek toonde duidelijk een bijkomend voordeel van het mogelijk maken van kristalgroei met een hogere mate van vrijheid dan bij conventionele technieken, omdat, in tegenstelling tot een gewoon eenkristalsubstraatoppervlak, nanosheets hebben geen bungelende banden. De verkregen dunne films vertoonden tweemaal of meer betere diëlektrische prestaties dan niet-georiënteerde dunne films, het aantonen van de effectiviteit van deze techniek vanuit het aspect van functionele verbetering.

Dit onderzoeksresultaat maakte het mogelijk om perovskietoxide dunne films te kweken, welke belangrijke functionele materialen zijn, terwijl ze hun oriëntaties beheersen, door het substraatoppervlak te coaten met een nanosheet, die kan worden beschouwd als een "patroonbehang met een dikte op nanoniveau". Aangezien deze nieuwe techniek kosteneffectief en zeer universeel is, omdat het het gebruik van conventionele substraten zoals glas en kunststoffen mogelijk maakt die voorheen niet konden worden gebruikt en dat de nanosheet op het substraatoppervlak kan worden gecoat door een oplossingsproces bij kamertemperatuur, het kan aanzienlijke rimpeleffecten hebben op en technologische innovatie brengen in toepassingen voor MEMS en sensoren.

Dit onderzoek is uitgevoerd in het kader van het onderzoeksproject " Ontwikkeling van nanomaterialen/productieprocessen voor elektronica van de volgende generatie met behulp van anorganische nanoplaten" (projectleider:Takayoshi Sasaki) in de "Oprichting van innovatieve productietechnologie op basis van Nanotechnologie "Onderzoeksgebied van het kernonderzoek van evolutionair" Wetenschap &Technology (CREST) ​​Programma van het Japan Science and Technology Agency (JST). Dit resultaat wordt binnenkort gepubliceerd in Tijdschrift voor materiaalchemie C (de Royal Society of Chemistry).