Strati sottili di materiali di ossido e le loro interfacce sono stati osservati in risoluzione atomica durante la crescita per la prima volta dai ricercatori del Center for Nanophase Materials Sciences presso l'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy, fornendo nuove informazioni sul complicato legame tra la loro struttura e le proprietà.

"Immagina di avere improvvisamente la capacità di vedere a colori, o in 3-D, " ha affermato Sergei Kalinin del CNMS. "Questo è quanto siamo stati in grado di guardare da vicino queste interfacce molto piccole".

Il documento è stato pubblicato online in ACS Nano con Junsoo Shin di ORNL come autore principale.

Un componente della magnetoelettronica e della spintronica, le interfacce ad ossido hanno il potenziale per sostituire i dispositivi microelettronici a base di silicio e migliorare la potenza e la conservazione della memoria di altre tecnologie elettroniche.

Però, le interfacce degli ossidi sono difficili da analizzare su scala atomica perché una volta che gli ossidi vengono rimossi dalla loro camera di crescita vengono contaminati. Per aggirare questo problema, I ricercatori dell'ORNL guidati da Art Baddorf hanno costruito un sistema unico che consente la scansione della microscopia a effetto tunnel e la diffrazione elettronica a bassa energia per catturare immagini dello strato superiore dell'ossido mentre si trova in situ, o ancora nella camera a vuoto dove i materiali venivano coltivati ​​da potenti impulsi laser.

Molti studi su interfacce di ossido simili utilizzano uno sguardo laterale, tipicamente ottenuto mediante microscopia elettronica a trasmissione a scansione corretta per l'aberrazione (STEM). Il team ORNL ha utilizzato queste immagini in sezione trasversale per mappare l'organizzazione dell'ossido.

Però, come un panino, le interfacce di ossido possono essere più di quello che appaiono di lato. Per osservare lo strato interattivo dell'ossido superiore e inferiore, il gruppo ha utilizzato la microscopia a effetto tunnel per ottenere una visione risolta atomicamente della superficie dell'ossido, e ne osservò l'evoluzione durante la crescita di un secondo film di ossido sopra.

"Invece di vedere un perfettamente piatto, reticolo quadrato che gli scienziati pensavano che queste interfacce fossero prima, abbiamo trovato un ordinamento atomico diverso e molto complicato, " ha detto Baddorf. "Abbiamo davvero bisogno di rivalutare ciò che sappiamo su questi materiali."

Gli ossidi possono essere utilizzati in diverse combinazioni per produrre risultati unici. Ad esempio, isolato, due ossidi possono essere isolanti ma insieme l'interfaccia può diventare conduttiva. Osservando la struttura atomica di un ossido, gli scienziati possono accoppiare in modo più efficace gli ossidi per ottenere prestazioni ottimali in applicazioni tecnologiche avanzate come i transistor.

Kalinin afferma che la corretta applicazione di questi materiali basati sull'interfaccia potrebbe aprire nuove strade per lo sviluppo di processori per computer e dispositivi di accumulo e conversione di energia, oltre a comprendere la fisica di base che controlla questi materiali.

"Negli ultimi 10 anni, ci sono stati solo progressi limitati nello sviluppo di tecnologie dell'informazione oltre il silicio, " ha detto Kalinin. "Il silicio ha dei limiti che sono stati raggiunti, e questo ha motivato le persone a esplorare altre opzioni".

La risoluzione atomica delle strutture di interfaccia durante la crescita dell'ossido consentirà agli scienziati di identificare meglio i difetti di alcune comuni combinazioni di ossidi e potrebbe aiutare a restringere le selezioni di ossidi per stimolare applicazioni commerciali nuove o più efficienti.