L'analisi di un team guidato dai ricercatori di Argonne rivela dettagli mai visti prima su un tipo di film sottile esplorato per la microelettronica avanzata.

La ricerca di un team guidato da scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory offre un nuovo, vista nanoscopica di ossidi complessi, che sono promettenti per la microelettronica avanzata.

Gli ossidi complessi sono materiali multifunzionali che potrebbero eventualmente portare a efficienza energetica, componenti di memoria elettronica avanzata e dispositivi di calcolo quantistico. In genere, questi materiali sono prodotti strato per strato su un substrato atomicamente abbinato, un processo noto come crescita epitassiale.

Per utilizzare ossidi complessi in elettronica, devono essere prodotti su silicio, un compito impossibile per le tecniche di crescita epitassiale esistenti, poiché le strutture atomiche di questi due materiali non corrispondono. Una possibile soluzione alternativa consiste nel far crescere gli ossidi complessi altrove e quindi trasferire la pellicola su un altro substrato. Però, sorge una domanda chiave:le proprietà locali di un film sottile di ossido complesso rimarranno intatte se lo si solleva da un substrato e lo si deposita su un altro?

La nuova ricerca rivela intuizioni sugli ossidi complessi indipendenti che potrebbero eventualmente creare un campo di ricerca completamente nuovo:la microelettronica degli ossidi complessi. Il lavoro è dettagliato in un documento, "Movimento della parete del dominio ferroelettrico in film sottile di ossido complesso a cristallo singolo indipendente, " recentemente pubblicato sulla rivista Materiale avanzato .

Utilizzando la microscopia a scansione di sonda, il team ha studiato il titanato di zirconio di piombo (PZT), un tipo di film sottile ferroelettrico di ossido complesso monocristallino. Tali pellicole a cristallo singolo hanno proprietà ideali per la microelettronica:sono altamente polarizzate, durevole e commutabile rapidamente, rendendoli adatti per i futuri chip di memoria ferroelettrici ad accesso casuale, Per esempio.

La coltivazione di questi film sottili richiede temperature di circa 700 °C (1292 °F), che deteriora le proprietà dello strato interfacciale se cresciuto direttamente su silicio. Quindi i ricercatori hanno coltivato il PZT su un substrato più adatto:una base di titanato di stronzio (STO) con uno "strato sacrificale" di manganite di stronzio lantanio (LSMO) inserito nel mezzo. Per trasferire la pellicola sottile PZT su un altro substrato, i ricercatori hanno rotto i legami che lo univano all'LSMO.

"PZT cresce magnificamente su LSMO, "ha detto Saidur Rahman Bakaul, un assistente scienziato dei materiali ad Argonne che ha guidato lo studio. "Volevamo vedere cosa succede se tagliamo quell'interfaccia".

Dopo aver trasformato il PZT in un film indipendente, il team di ricerca ha capovolto il film e lo ha ridepositato delicatamente su un substrato identico STO-LSMO . Ciò ha consentito di visualizzare per la prima volta la parte inferiore staccata di PZT.

"È come guardare l'altro lato della luna, che normalmente non vedi, " ha detto Bakaul.

Il team ha utilizzato la microscopia a forza elettrostatica con sonde a raggio di 20 nanometri per misurare le proprietà ferroelettriche locali del materiale. La loro analisi ha mostrato che le proprietà statiche locali della superficie inferiore del PZT indipendente erano abbastanza simili rispetto a quelle della superficie superiore. Questa constatazione, Bakaul ha detto, è molto incoraggiante per la futura microelettronica a ossidi complessi, perché conferma che la superficie interfacciale del film PZT trasferito è uno strato ferroelettrico di alta qualità. Ciò significa che la tecnica di trasferimento dovrebbe essere in grado di combinare i migliori materiali provenienti da mondi diversi, come PZT (ferroelettrico) e silicio (semiconduttori). Finora, nessuna tecnica di crescita diretta ha raggiunto questo obiettivo senza danneggiare la superficie interfacciale.

Utilizzando immagini di microscopia di forza piezorisposta, gli scienziati hanno scoperto che la velocità della parete del dominio ferroelettrico dello strato distaccato, una misura del panorama energetico elettrostatico degli ossidi complessi, era quasi 1, 000 volte più lento dei film PZT come cresciuti fortemente legati.

Per scoprire perché, il team ha prima esaminato gli strati atomici sulla superficie inferiore del film PZT con la microscopia a forza atomica, che ha rivelato anomalie sulla superficie. Per uno sguardo ancora più attento, si sono rivolti al Center for Nanoscale Materials di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, dove hanno usato una nanosonda a raggi X per vedere le inclinazioni nei piani atomici, rivelando increspature mai viste prima.

le increspature, Bakaul ha detto, salire all'altezza di solo un milionesimo del diametro di una capocchia di spillo, ma può comunque creare un forte campo elettrico che impedisce al muro del dominio di muoversi, rivelata l'analisi teorica. Questa affermazione è stata ulteriormente supportata con misurazioni da un microscopio a capacità di scansione.

La presenza di tali increspature strutturali negli ossidi complessi, che un tempo erano conosciute come ceramiche non pieghevoli, è una nuova entusiasmante scoperta scientifica e un futuro parco giochi per esplorare fenomeni fisici indotti da forti gradienti di deformazione come gli effetti flessoelettrici. Però, nei dispositivi microelettronici, queste minuscole increspature possono indurre variabilità da dispositivo a dispositivo.

Il lavoro, che è stato supportato dall'Office of Basic Energy Sciences del DOE, offre un livello di dettaglio unico e importante sulle proprietà dei film sottili di ossido complessi indipendenti.

"Il nostro studio mostra che questo materiale è pronto per le future applicazioni microelettroniche, " Bakaul ha detto, "ma richiederà ulteriori ricerche sui modi per evitare queste increspature".