Gli ossidi isolanti sono composti contenenti ossigeno che non conducono elettricità, ma a volte possono formare interfacce conduttive quando sono stratificate insieme con precisione. Gli elettroni conduttori all'interfaccia formano un gas di elettroni bidimensionale (2DEG) che vanta proprietà quantistiche esotiche che rendono il sistema potenzialmente utile nelle applicazioni di elettronica e fotonica.

I ricercatori della Yale University hanno ora sviluppato un sistema 2DEG su arseniuro di gallio, un semiconduttore efficiente nell'assorbire ed emettere luce. Questo sviluppo è promettente per i nuovi dispositivi elettronici che interagiscono con la luce, come nuovi tipi di transistor, interruttori superconduttori e sensori di gas.

"Lo vedo come un elemento costitutivo per l'elettronica ad ossido, " disse Lior Kornblum, ora del Technion - Israel Institute of Technology, che descrive la nuova ricerca che appare questa settimana nel Rivista di fisica applicata .

I 2DEG di ossido sono stati scoperti nel 2004. I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che l'unione di due strati di alcuni ossidi isolanti può generare elettroni conduttori che si comportano come un gas o un liquido vicino all'interfaccia tra gli ossidi e possono trasportare informazioni.

I ricercatori hanno precedentemente osservato 2DEG con semiconduttori, ma gli ossidi 2DEG hanno densità di elettroni molto più elevate, rendendoli candidati promettenti per alcune applicazioni elettroniche. Gli ossidi 2DEG hanno interessanti proprietà quantistiche, attirando l'interesse anche per le loro proprietà fondamentali. Per esempio, i sistemi sembrano esibire una combinazione di comportamenti magnetici e superconduttività.

In genere, è difficile produrre in serie 2DEG di ossido perché sono ottenibili solo piccoli pezzi dei cristalli di ossido necessari, ha detto Kornblum. Se, però, i ricercatori possono far crescere gli ossidi su grandi wafer a semiconduttore disponibili in commercio, possono quindi scalare 2DEG di ossido per applicazioni del mondo reale. La crescita di 2DEG di ossido sui semiconduttori consente inoltre ai ricercatori di integrare meglio le strutture con l'elettronica convenzionale. Secondo Kornblum, consentire agli elettroni dell'ossido di interagire con gli elettroni nel semiconduttore potrebbe portare a nuove funzionalità e più tipi di dispositivi.

Il team di Yale in precedenza coltivava 2DEG di ossido su wafer di silicio. Nel nuovo lavoro, hanno coltivato con successo 2DEG di ossido su un altro importante semiconduttore, arseniuro di gallio, che si è rivelato più impegnativo.

La maggior parte dei semiconduttori reagisce con l'ossigeno nell'aria e forma uno strato superficiale disordinato, che devono essere rimossi prima di far crescere questi ossidi sul semiconduttore. Per il silicio, la rimozione è relativamente facile:i ricercatori riscaldano il semiconduttore nel vuoto. Questo approccio, però, non funziona bene con l'arseniuro di gallio.

Anziché, il team di ricerca ha rivestito una superficie pulita di un wafer di arseniuro di gallio con uno strato di arsenico. L'arsenico proteggeva la superficie del semiconduttore dall'aria mentre trasferiva il wafer in uno strumento che produce ossidi usando un metodo chiamato epitassia a fascio molecolare. Ciò consente a un materiale di crescere su un altro mantenendo una struttura cristallina ordinata attraverso l'interfaccia.

Prossimo, i ricercatori hanno riscaldato delicatamente il wafer per far evaporare il sottile strato di arsenico, esponendo la superficie incontaminata del semiconduttore sottostante. Hanno poi coltivato un ossido chiamato SrTiO3 sull'arseniuro di gallio e, subito dopo, un altro strato di ossido di GdTiO3. Questo processo ha formato un 2° grado tra gli ossidi.

L'arseniuro di gallio è solo uno di un'intera classe di materiali chiamati semiconduttori III-V, e questo lavoro apre un percorso per integrare i 2DEG di ossido con altri.

"La capacità di accoppiare o integrare questi interessanti gas di elettroni bidimensionali ossido con arseniuro di gallio apre la strada a dispositivi che potrebbero beneficiare delle proprietà elettriche e ottiche del semiconduttore, " ha detto Kornblum. "Questo è un materiale di passaggio per gli altri membri di questa famiglia di semiconduttori".