La prova che una nuova capacità di far crescere film sottili di un'importante classe di materiali chiamati ossidi complessi, per la prima volta, rendere questi materiali commercialmente fattibili, secondo gli scienziati dei materiali della Penn State.

Gli ossidi complessi sono cristalli con una composizione che tipicamente consiste in ossigeno e almeno altri due, elementi diversi. Nella loro forma cristallina e a seconda della combinazione degli elementi, gli ossidi complessi mostrano una vasta gamma di proprietà.

"Gli ossidi complessi sono talvolta chiamati materiali funzionali, perché sono letteralmente buoni per tutto, "dice Roman Engel-Herbert, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, chimica e fisica, Penn State.

I particolari ossidi complessi che il suo gruppo sta prendendo di mira sono chiamati ossidi di perovskite. La struttura cristallina, la disposizione degli atomi, di questo materiale contiene due ioni con carica positiva che possono essere sostituiti da quasi tutti gli elementi della tavola periodica formando ioni con carica positiva. A seconda del tipo di atomi sostituiti, i ricercatori sono in grado di ottenere qualsiasi proprietà a cui sono interessati, compreso il magnetismo, ferroelettricità, piro- e piezoelettricità:la capacità di percepire e rispondere al calore e di trasformare l'elettricità in movimento meccanico o viceversa, e anche la superconduttività.

Fino ad ora, la capacità di utilizzare questi materiali come film sottili per l'elettronica e i sensori è stata ostacolata da un tasso di crescita molto lento o dalla mancanza di controllo stechiometrico, cioè mantenendo la quantità di ioni caricati positivamente nel cristallo nella giusta proporzione. È ancora più problematico che finora non sia stata trovata alcuna strategia di integrazione commercialmente valida per combinare questi ossidi funzionali con la tecnologia dei semiconduttori esistente in modo scalabile e commercialmente praticabile.

"Affinché l'industria possa trarre vantaggio dalle straordinarie scoperte a cui abbiamo assistito in questo campo della ricerca sugli ossidi complessi, dobbiamo in qualche modo integrare questi film sottili in dispositivi utilizzando tecnologie compatibili con i processi di produzione industriale esistenti, " Dice Engel-Herbert. "Per fare ciò non hai solo bisogno del substrato giusto su cui puoi far crescere il film, è inoltre necessario assicurarsi che i substrati siano sufficientemente grandi da tradurre la tecnologia su scala industriale. Sebbene tali substrati non esistano (ancora), ora c'è un modo per colmare questa lacuna".

Risolvere questo problema, Il gruppo di Engel-Herbert sviluppa strati spessi di ossidi complessi sopra un wafer di silicio. Questo spesso strato, a volte indicato come "substrato virtuale" è strutturalmente e chimicamente compatibile con lo strato di film sottile di ossido complesso mirato, imitando così la funzione di un vero substrato di ossido di massa. Questa strategia dei materiali non richiede solo un controllo preciso delle condizioni di crescita per garantire un substrato virtuale strutturalmente perfetto che possa fungere da a

piattaforma per integrare film funzionali di ossido direttamente sul silicio, ma anche tassi di crescita sufficientemente rapidi. Questo metodo, sebbene sia ben consolidato nel campo della scienza dei semiconduttori, non è mai stato applicato a ossidi complessi. Il principale ostacolo al suo sviluppo è stato il tasso di crescita agonizzante lento per i film sottili di ossido complessi, circa quattro angstrom al minuto, o quattro decimi di nanometro. A tali velocità lente la crescita di uno strato di ossido complesso sufficientemente spesso richiederebbe da cinque a sei ore.

"Se si desidera utilizzare un substrato virtuale invece di un convenzionale substrato monocristallino sfuso, hai bisogno di ordini di grandezza maggiori tassi di crescita. La nostra svolta dimostra che ora possiamo ridurre questo tempo da diverse ore a un paio di minuti mantenendo un controllo perfetto sulla qualità del materiale, " dice Engel-Herbert.

Il gruppo ha dimostrato con successo tassi di crescita di circa due angstrom al secondo. I loro risultati indicano inoltre che sono possibili tassi di crescita ancora più elevati, aprendo la strada a una strategia di integrazione commercialmente praticabile per questa classe funzionale di materiali con il silicio.

"Finora sono stati utilizzati solo wafer di silicio da 3 pollici, ma questo è solo perché la nostra camera di crescita in laboratorio non è predisposta per gestire wafer di silicio più grandi, " dice. "Non c'è motivo per cui questo non possa essere fatto su wafer di silicio commerciali da 10 pollici".

Un ulteriore vantaggio oltre a un tasso di crescita molto più rapido è un costo notevolmente ridotto per la produzione di substrati di ossido. Con prezzi una frazione del costo per i substrati di ossido sfusi attualmente disponibili, anche i ricercatori ne trarrebbero beneficio, portando a esperimenti più complessi di film sottili di ossido e quindi a progressi più rapidi in quest'area di ricerca. Poiché le proprietà degli ossidi complessi funzionali abbracciano un'ampia gamma, sono molto diffuse le possibili tecnologie future abilitate e che beneficiano di substrati virtuali di ossido complessi scalabili:dai computer quantistici basati su qubit superconduttori, sensori, attuatori e sistemi microelettromeccanici (MEMS) fino ai dispositivi agili di frequenza che vengono presi in considerazione per i futuri standard di frequenza di trasmissione nelle reti 5G.

Ulteriori autori sul documento, pubblicato online in Comunicazioni sulla natura , intitolato "Scalare i tassi di crescita per substrati virtuali di ossido di perovskite su silicio, " sono dottorando e autore principale Jason Lapano, l'ex studioso postdottorato Matthew Brahlek, ex studente laureato Lei Zhang, attuale dottorato di ricerca lo studente Joseph Roth e l'attuale studioso postdottorato Alexej Pogrebnyakov.