Analyser från ett team ledd av Argonne-forskare avslöjar aldrig tidigare sett detaljer om en typ av tunn film som utforskas för avancerad mikroelektronik.

Forskning från ett team ledd av forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory erbjuder en ny, nanoskopisk bild av komplexa oxider, som är  lovande för avancerad mikroelektronik.

Komplexa oxider är multifunktionella material som så småningom kan leda till energieffektiva, avancerade elektroniska minneskomponenter och kvantberäkningsenheter. Rent generellt, dessa material produceras lager för lager på ett atomärt anpassat substrat, en process som kallas epitaxiell tillväxt.

För att använda komplexa oxider i elektronik, de måste produceras på kisel - en omöjlig uppgift för befintliga epitaxiella tillväxttekniker, eftersom atomstrukturerna för dessa två material inte stämmer överens. En möjlig lösning är att odla de komplexa oxiderna någon annanstans och sedan överföra filmen till ett annat substrat. Dock, en nyckelfråga uppstår:Kommer de lokala egenskaperna hos en tunn film av komplex oxid att förbli intakt om du lyfter den från ett substrat och avsätter den på ett annat?

Den nya forskningen avslöjar insikter om fristående komplexa oxider som så småningom kan skapa ett helt nytt forskningsfält:komplex oxidmikroelektronik. Arbetet är detaljerat i ett papper, "Ferroelektrisk domänväggrörelse i fristående enkelkristallkomplexoxidtunn film, " nyligen publicerad i tidskriften Avancerade material .

Med hjälp av scanningsprobmikroskopi, teamet studerade blyzirkoniumtitanat (PZT), en typ av enkristall komplex oxid ferroelektrisk tunnfilm. Sådana enkristallfilmer har egenskaper som är idealiska för mikroelektronik - de är mycket polariserade, uthållig och snabb växling, vilket gör dem lämpliga för framtida ferroelektriska minneschips med direktåtkomst, till exempel.

Att odla dessa tunna filmer kräver temperaturer på cirka 700 °C (1292 °F), vilket försämrar gränsskiktets egenskaper om det odlas direkt på kisel. Så forskarna odlade PZT på ett mer lättillgängligt substrat – en bas av strontiumtitanat (STO) med ett ”offerlager” av lantanstrontiummanganit (LSMO) inklämt emellan. För att överföra PZT tunnfilmen till ett annat substrat, forskarna bröt de band som förenade den med LSMO.

"PZT växer vackert på LSMO, sa Saidur Rahman Bakaul, en biträdande materialvetare vid Argonne som ledde studien. "Vi ville se vad som händer om vi klipper det gränssnittet."

Efter att ha förvandlat PZT till en fristående film, forskarteamet vände filmen och satte försiktigt tillbaka den på ett identiskt STO-LSMO-substrat. Detta gjorde det möjligt för första gången någonsin att se PZT:s fristående undersida.

"Det är som att titta på andra sidan av månen, som du normalt inte ser, " sa Bakaul.

Teamet använde elektrostatisk kraftmikroskopi med 20 nanometer-radiesonder för att mäta materialets lokala ferroelektriska egenskaper. Deras analys visade att de lokala statiska egenskaperna hos bottenytan på fristående PZT var ganska lika jämfört med den övre ytan. Detta fynd, Bakaul sa, är mycket uppmuntrande för framtida komplex oxidmikroelektronik, eftersom det bekräftar att gränsytan på den överförda PZT filmen är ett ferroelektriskt skikt av hög kvalitet. Det betyder att överföringstekniken ska kunna kombinera de bästa materialen från olika världar, som PZT (ferroelektrisk) och kisel (halvledare). Än så länge, ingen teknik för direkt växt har uppnått detta utan att skada gränsytan.

Med hjälp av piezoresponskraftmikroskopbilder, forskare fann att det fristående lagrets ferroelektriska domänväggshastighet – ett mått på det elektrostatiska energilandskapet för komplexa oxider – var nästan 1, 000 gånger långsammare än starkt sammanfogade PZT-filmer.

För att ta reda på varför, teamet undersökte först atomskikten vid bottenytan av PZT filmen med atomkraftsmikroskopi, som avslöjade anomalier på ytan. För en ännu närmare titt, de vände sig till Argonne's Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science användaranläggning, där de använde en röntgen nanosond för att se lutningarna i atomplan, avslöjar aldrig tidigare skåda krusningar.

krusningarna, Bakaul sa, stiga till höjden av endast en miljondel av ett knappnålshuvuds diameter, men ändå kan skapa ett starkt elektriskt fält som hindrar domänväggen från att röra sig, den teoretiska analysen avslöjade. Detta påstående stöddes ytterligare med mätningar från ett avsökningskapacitansmikroskop.

Närvaron av sådana strukturella krusningar i komplexa oxider, som brukade vara känd som icke böjbar keramik, är en spännande ny vetenskaplig upptäckt och en framtida lekplats för att utforska starka spänningsgradientinducerade fysiska fenomen som flexoelektriska effekter. Dock, i mikroelektroniska enheter, dessa små krusningar kan inducera enhet-till-enhet-variabilitet.

Arbetet, som stöddes av DOE:s Office of Basic Energy Sciences, erbjuder en unik och viktig detaljnivå om egenskaperna hos fristående tunna filmer av komplex oxid.

"Vår studie visar att detta material är redo att användas för framtida mikroelektroniska tillämpningar, "Bakaul sa, "men det kommer att kräva ytterligare forskning om sätt att undvika dessa krusningar."