Il magnetico, le proprietà conduttive e ottiche degli ossidi complessi li rendono fondamentali per i componenti dell'elettronica di prossima generazione utilizzati per l'archiviazione dei dati, rilevamento, tecnologie energetiche, dispositivi biomedici e molte altre applicazioni.

L'impilamento di strati monocristallini di ossido complesso ultrasottile, composti da atomi disposti geometricamente, consente ai ricercatori di creare nuove strutture con proprietà ibride e funzioni multiple. Ora, utilizzando una nuova piattaforma sviluppata da ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison e del Massachusetts Institute of Technology, i ricercatori saranno in grado di realizzare questi materiali di cristalli impilati in combinazioni virtualmente illimitate.

Il team ha pubblicato i dettagli del suo anticipo il 5 febbraio sulla rivista Natura .

L'epitassia è il processo per depositare un materiale sopra un altro in modo ordinato. Il nuovo metodo di stratificazione dei ricercatori supera un'importante sfida nell'epitassia convenzionale:ogni nuovo strato di ossido complesso deve essere strettamente compatibile con la struttura atomica dello strato sottostante. È un po' come impilare i blocchi Lego:i fori sul fondo di un blocco devono essere allineati con i punti in rilievo sopra l'altro. Se c'è una mancata corrispondenza, i blocchi non si incastrano correttamente.

"Il vantaggio del metodo convenzionale è che puoi far crescere un singolo cristallo perfetto su un substrato, ma hai un limite, " dice Chang-Beom Eom, un professore di scienza dei materiali, ingegneria e fisica alla UW-Madison. "Quando coltivi il materiale successivo, la tua struttura deve essere la stessa e la tua spaziatura atomica deve essere simile. questo è un vincolo, e oltre quel vincolo, non cresce bene".

Un paio d'anni fa, un team di ricercatori del MIT ha sviluppato un approccio alternativo. Guidato da Jeehwan Kim, professore associato in ingegneria meccanica e scienza e ingegneria dei materiali al MIT, il gruppo ha aggiunto uno strato intermedio ultrasottile di un materiale di carbonio unico chiamato grafene, poi ha usato l'epitassia per far crescere un sottile strato di materiale semiconduttore sopra di esso. Solo una molecola spessa, il grafene agisce come un supporto staccabile a causa del suo debole legame. I ricercatori potrebbero rimuovere lo strato di semiconduttore dal grafene. Ciò che restava era un foglio ultrasottile autoportante di materiale semiconduttore.

Eom, un esperto di materiali ossidi complessi, dice che sono intriganti perché hanno una vasta gamma di proprietà sintonizzabili, comprese più proprietà in un materiale, che molti altri materiali non hanno. Così, aveva senso applicare la tecnica del peel-away agli ossidi complessi, che sono molto più difficili da crescere e integrare.

"Se hai questo tipo di crescita e rimozione taglia e incolla, abbinata alla diversa funzionalità di accostare materiali monocristallini di ossido, hai un'enorme possibilità di creare dispositivi e fare scienza, "dice Eom, che si è connesso con gli ingegneri meccanici al MIT durante un anno sabbatico nel 2014.

I gruppi di ricerca Eom e Kim hanno unito le loro competenze per creare strati monocristallini di ossido complesso ultrasottile, ancora usando il grafene come intermedio staccabile. Ma ancora più importante, però, hanno superato un ostacolo precedentemente insormontabile, la differenza nella struttura cristallina, nell'integrazione di diversi materiali di ossido complessi.

"I materiali magnetici hanno una struttura cristallina, mentre i materiali piezoelettrici ne hanno un altro, " dice Eom. "Quindi non puoi farli crescere uno sopra l'altro. Quando provi a farli crescere, diventa solo disordinato. Ora possiamo far crescere i livelli separatamente, sbucciateli, e integrarli".

Nella sua ricerca, il team ha dimostrato l'efficacia della tecnica utilizzando materiali come la perovskite, spinello e granato, tra molti altri. Possono anche impilare singoli materiali di ossido complessi e semiconduttori.

"Questo apre la possibilità per lo studio di nuove scienze, che non è mai stato possibile in passato perché non potevamo coltivarlo, " dice Eom. "Impilare questi era impossibile, ma ora è possibile immaginare infinite combinazioni di materiali. Ora possiamo metterli insieme".

Il progresso apre anche le porte a nuovi materiali con funzionalità che guidano le tecnologie future.

"Questo anticipo, che sarebbe stato impossibile utilizzando le tecniche convenzionali di crescita del film sottile, apre la strada a possibilità quasi illimitate nella progettazione dei materiali, "dice Evan Runnerstrom, responsabile del programma in progettazione dei materiali presso l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, che ha finanziato parte della ricerca. "La capacità di creare interfacce perfette accoppiando classi disparate di materiali complessi può consentire comportamenti e proprietà regolabili completamente nuovi, che potrebbe potenzialmente essere sfruttato per nuove capacità dell'esercito nelle comunicazioni, sensori riconfigurabili, elettronica a bassa potenza, e la scienza dell'informazione quantistica".