Il professor Bharat Jalan dell'Università del Minnesota ei suoi studenti hanno scoperto che la vera costante dielettrica dei loro film di titanato di stronzio supera 25.000, la più alta mai misurata per questo materiale. Credito:Jalan Group, Università del Minnesota
Un team di ricerca guidato da Twin Cities dell'Università del Minnesota ha risolto un mistero di vecchia data che circonda il titanato di stronzio, un insolito ossido di metallo che può essere un isolante, un semiconduttore o un metallo. La ricerca fornisce informazioni sulle future applicazioni di questo materiale ai dispositivi elettronici e all'archiviazione dei dati.
L'articolo è pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences .
Quando un isolante come il titanato di stronzio viene posizionato tra piastre metalliche con carica opposta, il campo elettrico tra le piastre fa sì che gli elettroni carichi negativamente ei nuclei positivi si allineino nella direzione del campo. Questo ordinato allineamento di elettroni e nuclei è contrastato dalle vibrazioni termiche e il grado di ordine è misurato da una quantità fondamentale chiamata costante dielettrica. A bassa temperatura, dove le vibrazioni termiche sono deboli, la costante dielettrica è maggiore.
Nei semiconduttori, la costante dielettrica svolge un ruolo importante fornendo un'efficace "schermatura" o protezione degli elettroni conduttori da altri difetti caricati nel materiale. Per le applicazioni nei dispositivi elettronici, è fondamentale avere una grande costante dielettrica.
Campioni di alta qualità di dimensioni centimetriche di titanato di stronzio mostrano una costante dielettrica misurata a bassa temperatura di 22.000, che è piuttosto grande e incoraggiante per le applicazioni. Ma la maggior parte delle applicazioni nei computer e in altri dispositivi richiederebbe film sottili. Nonostante l'enorme sforzo di molti ricercatori che utilizzano metodi diversi per coltivare film sottili, nei film sottili di titanato di stronzio è stata raggiunta solo una modesta costante dielettrica di 100–1.000.
Nelle pellicole sottili, che possono essere spesse solo pochi strati atomici, l'interfaccia tra la pellicola e il substrato, o la pellicola e lo strato successivo, può svolgere un ruolo importante.
Bharat Jalan, autore senior dell'articolo, professore e Shell Chair presso il Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali dell'Università del Minnesota, ha teorizzato che queste interfacce "sepolte" potrebbero mascherare la vera costante dielettrica del titanato di stronzio. Considerando attentamente questo effetto di mascheramento, Jalan e i suoi studenti hanno scoperto che la vera costante dielettrica dei loro film di titanato di stronzio supera 25.000, la più alta mai misurata per questo materiale.
I risultati di Jalan e dei suoi studenti e collaboratori forniscono informazioni critiche sul ruolo delle interfacce tra un isolante e un metallo come si trova nelle strutture dei condensatori onnipresenti nella tecnologia moderna, anche quando sia il metallo che l'isolante sono derivati dallo stesso materiale.
"I semiconduttori sono tra i materiali più importanti utilizzati nella tecnologia moderna", ha affermato Jalan. "Sebbene si sappia molto sui semiconduttori convenzionali come il silicio e l'arseniuro di gallio, ci sono diversi misteri irrisolti che circondano i semiconduttori di ossido come il titanato di stronzio."
Jalan ha affermato che con questa ricerca hanno risolto un problema di vecchia data relativo alle basse costanti dielettriche nei film di titanato di stronzio attraverso il controllo dei difetti e dell'interfaccia.
"Questi risultati si basano su un notevole record di successo per il metodo di crescita del film, noto come Hybrid Molecular Beam Epitaxy, scoperto da Jalan", ha affermato Richard James, Distinguished McKnight University Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica, e un co -autore nello studio. "La qualità dei film del gruppo di Jalan è davvero eccezionale".
Lo studente che ha guidato lo sforzo di crescita era Zhifei Yang, studente laureato presso la School of Physics and Astronomy dell'Università del Minnesota sotto la supervisione di Jalan.
"È stato piuttosto gratificante vedere che un'interfaccia spessa solo pochi strati atomici può avere un enorme impatto sul valore misurato", ha detto Yang in merito alla scoperta di elevate costanti dielettriche. + Esplora ulteriormente
