Bevis på att en ny förmåga att odla tunna filmer av en viktig klass av material som kallas komplexa oxider kommer, för första gången, göra dessa material kommersiellt möjliga, enligt Penn State materialforskare.

Komplexa oxider är kristaller med en sammansättning som vanligtvis består av syre och minst två andra, olika element. I sin kristallina form och beroende på kombinationen av element, komplexa oxider uppvisar en enorm mängd egenskaper.

"Komplexa oxider kallas ibland funktionella material, för de är bokstavligen bra för allt, säger Roman Engel-Herbert, docent i materialvetenskap och teknik, kemi och fysik, Penn State.

De speciella komplexa oxider som hans grupp riktar sig till kallas perovskitoxider. Kristallstrukturen - arrangemanget av atomer - av detta material innehåller två positivt laddade joner som kan ersättas av nästan alla element i det periodiska systemet som bildar positivt laddade joner. Beroende på vilken typ av atomer som är substituerade, forskarna kan få vilka egenskaper de än är intresserade av, inklusive magnetism, ferroelektricitet, pyro- och piezoelektricitet – förmågan att känna av och reagera på värme och att omvandla elektricitet till mekanisk rörelse eller vice versa, och även supraledning.

Tills nu, förmågan att använda dessa material som tunna filmer för elektronik och sensorer har hindrats av antingen en mycket långsam tillväxttakt eller avsaknad av stökiometrikontroll, dvs att hålla mängden positivt laddade joner i kristallen i rätt proportion. Det är ännu mer besvärligt att man hittills inte har hittat någon kommersiellt gångbar integrationsstrategi för att kombinera dessa funktionella oxider med befintlig halvledarteknologi på ett skalbart och kommersiellt gångbart sätt.

"För att industrin ska kunna dra fördel av de dramatiska genombrott vi har sett inom detta område av komplex oxidforskning, vi måste på något sätt integrera dessa tunna filmer i enheter med hjälp av teknologier som är kompatibla med befintliga industriella tillverkningsprocesser, ", säger Engel-Herbert. "För att göra det behöver du inte bara rätt substrat som du kan odla filmen på, du måste också se till att substrat är tillräckligt stora för att översätta teknik till industriskala. Även om sådana substrat inte existerar (ännu), nu finns det en väg framåt för att överbrygga denna klyfta."

För att lösa det här problemet, Engel-Herberts grupp odlar tjocka lager av komplexa oxider ovanpå en kiselwafer. Detta tjocka lager, som ibland kallas ett "virtuellt substrat" ​​är strukturellt och kemiskt kompatibelt med det riktade tunna skiktet av komplex oxid, sålunda efterliknar funktionen hos ett riktigt bulkoxidsubstrat. Denna materialstrategi kräver inte bara exakt kontroll av tillväxtförhållandena för att säkerställa ett strukturellt perfekt virtuellt substrat som kan fungera som ett

plattform för att integrera funktionella oxidfilmer direkt på kisel, men också tillräckligt snabba tillväxthastigheter. Den här metoden, även om det är väletablerat inom halvledarvetenskap, har aldrig applicerats på komplexa oxider. Det främsta hindret för dess utveckling har varit den plågsamma långsamma tillväxthastigheten för tunna filmer av komplex oxid, cirka fyra ångström per minut, eller fyra tiondelar av en nanometer. Vid så låga hastigheter skulle tillväxt av ett tillräckligt tjockt komplext oxidskikt kräva fem till sex timmar.

"Om du vill använda ett virtuellt substrat istället för ett konventionellt bulk enkristallsubstrat, du behöver storleksordningar högre tillväxttakt. Vårt genombrott visar att vi nu kan minska denna tid från flera timmar till ett par minuter samtidigt som vi har perfekt kontroll över materialets kvalitet, " säger Engel-Herbert.

Gruppen har framgångsrikt visat tillväxthastigheter på cirka två ångström per sekund. Deras resultat indikerar vidare att ännu högre tillväxthastigheter är möjliga, banar väg mot en kommersiellt gångbar integrationsstrategi för denna funktionella klass av material med kisel.

"Än så länge har endast 3-tums kiselskiva använts, men detta beror bara på att vår tillväxtkammare i labbet inte är utformad för att hantera större Si-wafer, " säger han. "Det finns ingen anledning att detta inte kan göras på 10-tums kommersiella kiselwafers."

En ytterligare fördel förutom en mycket snabbare tillväxthastighet är en kraftigt reducerad kostnad för att producera oxidsubstrat. Med priser som är en bråkdel av kostnaden för för närvarande tillgängliga bulkoxidsubstrat, forskare skulle också gynnas, leder till mer komplexa tunnfilmsexperiment med oxid och därför snabbare framsteg inom detta forskningsområde. Eftersom egenskaperna hos funktionella komplexa oxider spänner över ett brett spektrum, möjliga framtida teknologier som möjliggörs av och drar nytta av skalbara komplexa virtuella oxidsubstrat är utbredda:från kvantdatorer baserade på supraledande qubits, sensorer, ställdon och Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) hela vägen till frekvensagila enheter som övervägs för framtida sändningsfrekvensstandarder i 5G-nätverk.

Ytterligare författare på tidningen, publiceras online i Naturkommunikation , med titeln "Skalande tillväxthastigheter för virtuella perovskitoxidsubstrat på kisel, "är doktorand och huvudförfattare Jason Lapano, tidigare postdoktor Matthew Brahlek, tidigare doktorand Lei Zhang, nuvarande Ph.D. student Joseph Roth och nuvarande postdoktor Alexej Pogrebnyakov.