En forskargrupp bestående av Dr. Takayoshi Sasaki, NIMS-stipendiat, Dr Tatsuo Shibata, forskare efter doktorsexamen, och andra medarbetare vid International Center for Materials Nanoarchitectonics vid National Institute for Materials Science har framgångsrikt utvecklat en ny teknik för att möjliggöra orienterad tillväxt av högkvalitativa tunna filmer av perovskitoxid, som är viktiga funktionella material, i vald föredragen orientering på vilken typ av substrat som helst, såsom ett glassubstrat.

Många av de avancerade elektroniska och optoelektroniska enheterna runt omkring oss har inkorporerat komponenter som använder kristallina tunna filmer gjorda av olika funktionella material som spelar en viktig roll för att enheterna ska uppnå sina funktioner. Perovskitoxider, som kännetecknas av bariumtitanat, representerar en sådan klass av funktionella material som ger användbara egenskaper, såsom ferroelektricitet och piezoelektricitet, och de används i stor utsträckning på MEMS, sensorer och minne. Dessa egenskaper beror starkt på sådana faktorer som kristallorientering, kristallinitet och grad av orientering. Därför, kontroll av tillväxten av de tunna filmerna utgör en avgörande utmaning. Ett vanligt val för odling av hög kvalitet, välorienterade kristallina tunna filmer är epitaxiell tillväxt som använder enkristallsubstrat med en liknande kristallstruktur som målkristallen. Dock, de höga kostnads- och storleksbegränsningarna förknippade med metoden förhindrar en bredare tillämpning. Utvecklingen av en teknologi som möjliggör välorienterad högkvalitativ kristalltillväxt på ett billigt och konventionellt substrat, som glas och plast, har varit efterlängtad.

Forskargruppen använde sig av ett bibliotek med oorganiska nanoark, som är grafenliknande ämnen som erhålls genom att exfoliera en skiktad förening till enkla skikt. Från biblioteket, gruppen valde ut tre typer av oxidnanoark som var kompatibla med strukturen för den önskade orienteringen, och monterade dem på ytan av ett glas eller annat substrat med hjälp av en lösningsprocess, eliminera överlappningar och luckor så långt som möjligt, för att bilda ett ultratunt underlag (frölager) med en tjocklek på cirka 1 nanometer. Ett kristallint tunt skikt av oxid av perovskittyp avsattes på underskiktet genom en ångfasprocess. Som ett resultat, gruppen lyckades odla tunna filmer samtidigt som de kontrollerade sina riktningar mot (100), (110) och (111) orienteringar, vilka är de huvudsakliga orienteringarna som används för perovskitkristaller, för att strukturellt matcha det tvådimensionella gittret för respektive nanoark. Denna teknik visade tydligt en ytterligare fördel med att möjliggöra kristalltillväxt med en högre grad av frihet än i konventionella tekniker, eftersom till skillnad från en vanlig enkristallsubstratyta, nanosheets har inga dinglande bindningar. De erhållna tunna filmerna visade två gånger eller mer högre dielektrisk prestanda än icke-orienterade tunna filmer, demonstrerar effektiviteten av denna teknik från aspekten av funktionsförbättring.

Detta forskningsresultat gjorde det möjligt att odla tunna filmer av perovskitoxid, som är viktiga funktionella material, samtidigt som de kontrollerar sina riktningar, genom att belägga substratytan med ett nanoark, som kan betraktas som en "mönstrad tapet med en tjocklek på nanonivå." Eftersom denna nya teknik är kostnadseffektiv och mycket universell genom att den tillåter användning av konventionella substrat som glas och plast som inte kunde användas tidigare och att nanoarket kan beläggas på substratytan genom en rumstemperaturlösningsprocess, det kan ha betydande ringeffekter på och tillföra teknisk innovation i applikationer till MEMS och sensorer.

Denna forskning utfördes som en del av forskningsprojektet " Utveckling av nanomaterial/tillverkningsprocesser för nästa generations elektronik med oorganiska nanoark" (projektledare:Takayoshi Sasaki) i "Establishment of Innovative Manufacturing Technology Based on Nanoteknik " Forskningsområde för evolutionens kärnforskning Vetenskap &Technology (CREST) ​​Program för Japan Science and Technology Agency (JST). Detta resultat kommer snart att publiceras i Journal of Materials Chemistry C (The Royal Society of Chemistry).