Tunna lager av oxidmaterial och deras gränssnitt har observerats i atomär upplösning under tillväxt för första gången av forskare vid Center for Nanophase Materials Sciences vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, ger ny insikt om det komplicerade sambandet mellan deras struktur och egenskaper.

"Föreställ dig att du plötsligt hade förmågan att se i färg, eller i 3D, ", sa Sergei Kalinin från CNMS. "Det är så nära vi har kunnat titta på dessa mycket små gränssnitt."

Tidningen publicerades online i ACS Nano med ORNL:s Junsoo Shin som huvudförfattare.

En komponent av magnetoelektronik och spintronik, oxidgränssnitt har potentialen att ersätta kiselbaserade mikroelektroniska enheter och förbättra kraften och minnet för andra elektroniska tekniker.

Dock, oxidgränssnitt är svåra att analysera i atomär skala eftersom när oxiderna väl har tagits bort från sin tillväxtkammare blir de kontaminerade. För att kringgå detta problem, ORNL-forskare under ledning av Art Baddorf byggde ett unikt system som tillåter skanning av tunnelmikroskopi och elektrondiffraktion med låg energi för att fånga bilder av det översta lagret av oxiden på plats, eller fortfarande i vakuumkammaren där materialen odlades av kraftfulla laserpulser.

Många studier av liknande oxidgränssnitt använder en blick från sidan, uppnås typiskt genom aberrationskorrigerad sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM). ORNL-teamet har använt dessa tvärsnittsbilder för att kartlägga oxidorganisationen.

Dock, som en smörgås, oxidgränssnitt kan vara fler än vad de ser ut från sidan. För att observera det interaktiva lagret av den övre och nedre oxiden, gruppen har använt scanning tunneling mikroskopi för att få en atomärt upplöst bild av oxidens yta, och observerade dess utveckling under tillväxten av en andra oxidfilm ovanpå.

"Istället för att se en perfekt lägenhet, kvadratiskt gitter som forskare trodde att dessa gränssnitt var tidigare, vi hittade en annorlunda och mycket komplicerad atomordning, ", sa Baddorf. "Vi måste verkligen omvärdera vad vi vet om dessa material."

Oxider kan användas i olika kombinationer för att ge unika resultat. Till exempel, isolerat, två oxider kan vara isolatorer men tillsammans kan gränsytan bli ledande. Genom att titta på atomstrukturen för en oxid, forskare kan mer effektivt koppla oxider för att prestera optimalt i avancerade tekniska tillämpningar som transistorer.

Kalinin säger att korrekt tillämpning av dessa gränssnittsbaserade material kan öppna nya vägar för utveckling av datorprocessorer och energilagrings- och omvandlingsenheter, samt förstå grundläggande fysik som styr dessa material.

"Under de senaste 10 åren, det har bara gjorts begränsade framsteg när det gäller att utveckla informationsteknologier utanför kisel, " Kalinin sa. "Kisel har begränsningar som har nåtts, och detta har motiverat människor att utforska andra alternativ."

Atomupplösning av gränssnittsstrukturer under oxidtillväxt kommer att göra det bättre för forskare att identifiera defekter hos vissa populära oxidkombinationer och kan hjälpa till att begränsa urvalet av oxider för att stimulera till nya eller mer effektiva kommersiella tillämpningar.