Det magnetiska, ledande och optiska egenskaper hos komplexa oxider gör dem viktiga för komponenter i nästa generations elektronik som används för datalagring, avkänning, energiteknik, biomedicinsk utrustning och många andra applikationer.

Att stapla ultratunna komplexa oxid enkristallskikt-de som består av geometriskt arrangerade atomer-gör det möjligt för forskare att skapa nya strukturer med hybridegenskaper och flera funktioner. Nu, med en ny plattform utvecklad av ingenjörer vid University of Wisconsin-Madison och Massachusetts Institute of Technology, forskare kommer att kunna göra dessa staplade kristallmaterial i praktiskt taget obegränsade kombinationer.

Teamet publicerade detaljer om sitt framsteg den 5 februari i tidningen Natur .

Epitaxy är processen för att lägga ett material ovanpå ett annat på ett ordnat sätt. Forskarnas nya skiktmetod övervinner en stor utmaning i konventionell epitaxy - att varje nytt komplext oxidskikt måste vara nära kompatibelt med atomstrukturen i det underliggande skiktet. Det är ungefär som att stapla legoklossar:Hålen på botten av ett block måste ligga i linje med de upphöjda prickarna ovanpå det andra. Om det inte finns någon överensstämmelse, blocken passar inte ihop ordentligt.

"Fördelen med den konventionella metoden är att du kan odla en perfekt enda kristall ovanpå ett substrat, men du har en begränsning, "säger Chang-Beom Eom, en UW-Madison professor i materialvetenskap och teknik och fysik. "När du odlar nästa material, din struktur måste vara densamma och ditt atomavstånd måste vara liknande. Det är en begränsning, och bortom den begränsningen, det växer inte bra. "

För några år sedan, ett team av MIT -forskare utvecklade ett alternativt tillvägagångssätt. Under ledning av Jeehwan Kim, docent i maskinteknik och materialvetenskap och teknik vid MIT, gruppen tillsatte ett ultratunt mellanlager av ett unikt kolmaterial som kallas grafen, använde sedan epitaxy för att odla ett tunt halvledande materialskikt ovanpå det. Bara en molekyl tjock, grafen fungerar som en avlägsnande baksida på grund av dess svaga bindning. Forskarna kunde ta bort halvledarskiktet från grafen. Det som återstod var ett fristående ultratunt ark av halvledande material.

Eom, en expert på komplexa oxidmaterial, säger att de är spännande eftersom de har ett brett utbud av avstämbara egenskaper - inklusive flera egenskaper i ett material - som många andra material inte har. Så, det var vettigt att applicera borttagningstekniken på komplexa oxider, som är mycket mer utmanande att växa och integrera.

"Om du har denna typ av klipp-och-klistra tillväxt och borttagning, kombinerat med den olika funktionen att sätta ihop enkristalloxidmaterial, du har en enorm möjlighet att göra apparater och göra vetenskap, "säger Eom, som anslöt sig till mekaniska ingenjörer på MIT under ett sabbatsår där 2014.

Forskargrupperna Eom och Kim kombinerade sin expertis för att skapa ultratunna komplexa oxid enkristallskikt, återigen med användning av grafen som avlägsnande mellanprodukt. Mer viktigt, dock, de erövrade ett tidigare oöverstigligt hinder - skillnaden i kristallstruktur - i att integrera olika komplexa oxidmaterial.

"Magnetiska material har en kristallstruktur, medan piezoelektriska material har ett annat, "säger Eom." Så du kan inte odla dem ovanpå varandra. När du försöker odla dem, det blir bara rörigt. Nu kan vi odla skikten separat, skala bort dem, och integrera dem. "

I sin forskning, laget demonstrerade teknikens effektivitet med hjälp av material som perovskit, spinel och granat, bland flera andra. De kan också stapla enstaka komplexa oxidmaterial och halvledare.

"Detta öppnar möjligheten för studier av ny vetenskap, som aldrig har varit möjligt tidigare eftersom vi inte kunde odla det, "säger Eom." Att stapla dessa var omöjligt, men nu är det möjligt att föreställa sig oändliga kombinationer av material. Nu kan vi sätta ihop dem. "

Framsteget öppnar också dörrar till nya material med funktioner som driver framtidens teknik.

"Detta framsteg, vilket skulle ha varit omöjligt med konventionella tunnfilmstillväxttekniker, rensar vägen för nästan obegränsade möjligheter inom materialdesign, "säger Evan Runnerstrom, programansvarig för materialdesign vid arméforskningskontoret, som finansierade en del av forskningen. "Möjligheten att skapa perfekta gränssnitt samtidigt som man kopplar olika klasser av komplexa material kan möjliggöra helt nya beteenden och justerbara egenskaper, som potentiellt kan utnyttjas för nya arméer inom kommunikation, omkonfigurerbara sensorer, elektronik med låg effekt, och kvantinformationsvetenskap. "