Ett forskarlag som leds av University of Minnesota Twin Cities har löst ett långvarigt mysterium kring strontiumtitanat, en ovanlig metalloxid som kan vara en isolator, en halvledare eller en metall. Forskningen ger insikter för framtida tillämpningar av detta material på elektroniska enheter och datalagring.

Uppsatsen publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences .

När en isolator som strontiumtitanat placeras mellan motsatt laddade metallplattor, orsakar det elektriska fältet mellan plattorna att de negativt laddade elektronerna och de positiva kärnorna räcker upp i fältets riktning. Denna ordnade uppställning av elektroner och kärnor motstås av termiska vibrationer, och ordningsgraden mäts av en fundamental storhet som kallas dielektricitetskonstanten. Vid låg temperatur, där de termiska vibrationerna är svaga, är dielektricitetskonstanten större.

I halvledare spelar dielektricitetskonstanten en viktig roll genom att tillhandahålla effektiv "skärmning" eller skydd av de ledande elektronerna från andra laddade defekter i materialet. För tillämpningar i elektroniska enheter är det viktigt att ha en stor dielektricitetskonstant.

Högkvalitativa centimeterstora prover av strontiumtitanat uppvisar en uppmätt dielektrisk konstant vid låg temperatur på 22 000, vilket är ganska stort och uppmuntrande för tillämpningar. Men de flesta applikationer i datorer och andra enheter kräver tunna filmer. Trots en enorm ansträngning av många forskare som använder olika metoder för att odla tunna filmer, har endast en blygsam dielektrisk konstant på 100–1 000 uppnåtts i tunna filmer av strontiumtitanat.

I tunna filmer, som bara kan vara några atomlager tjocka, kan gränsytan mellan filmen och substratet, eller filmen och nästa lager upp, spela en viktig roll.

Bharat Jalan, senior författare på tidningen, professor och Shell-ordförande vid University of Minnesotas avdelning för kemiteknik och materialvetenskap, teoretiserade att dessa "begravda" gränssnitt kan maskera den sanna dielektriska konstanten för strontiumtitanat. Genom att noggrant redogöra för denna maskeringseffekt upptäckte Jalan och hans elever att den sanna dielektriska konstanten för deras strontiumtitanatfilmer överstiger 25 000 – den högsta som någonsin uppmätts för detta material.

Fynden av Jalan och hans studenter och medarbetare ger en kritisk inblick i rollen av gränssnitt mellan en isolator och en metall som finns i kondensatorstrukturer som finns överallt i modern teknik, även när både metallen och isolatorn är härledda från samma material.

"Halvledare är bland de viktigaste materialen som används i modern teknik," sa Jalan. "Även om mycket är känt om konventionella halvledare som kisel och galliumarsenid, finns det flera olösta mysterier kring oxidhalvledare som strontiumtitanat."

Jalan sa att de med denna forskning löste ett långvarigt problem angående de låga dielektriska konstanterna i strontiumtitanatfilmer genom defekt- och gränssnittskontroll.

"Dessa resultat bygger på ett anmärkningsvärt rekord av framgång för metoden för filmtillväxt, känd som hybrid Molecular Beam Epitaxy, upptäckt av Jalan", säger Richard James, en framstående professor vid McKnight University vid institutionen för rymdteknik och mekanik, och en co. -författare i studien. "Kvaliteten på filmerna från Jalans grupp är verkligen exceptionell."

Studenten som ledde tillväxtansträngningen var Zhifei Yang, doktorand vid School of Physics and Astronomy vid University of Minnesota under överinseende av Jalan.

"Det var ganska givande att se att ett gränssnitt som bara är ett fåtal atomlager tjockt kan ha en enorm inverkan på det uppmätta värdet", sa Yang om upptäckten av höga dielektriska konstanter. + Utforska vidare

Studien avslöjar hur strukturella förändringar påverkar de supraledande egenskaperna hos en metalloxid