Fig.1 Onderzoekssamenvatting: Een ultradunne film van magnetiet van hoge kwaliteit is vervaardigd op een perfect kristallijn oppervlak van het groeisubstraat, dat werd behandeld met onze oorspronkelijke zeer nauwkeurige polijsttechniek. Door het aantal defecten op het substraat te verminderen, konden de uitstekende overgangseigenschappen die inherent zijn aan magnetiet worden bereikt. Krediet: Ai I. Osaka et al.
Van praktische toepassingen zoals veilige communicatie tot complexe wetenschappelijke vragen zoals hoe de hersenen werken, klassieke computers zijn niet altijd geschikt voor deze taak. Nu hebben onderzoekers uit Japan een ontdekking gedaan die de elektronicatechnologie voor dergelijke geavanceerde toepassingen zal verbeteren.
In een recent gepubliceerd onderzoek in ACS toegepaste nanomaterialen, hebben onderzoekers van de Universiteit van Osaka en samenwerkende partners een ultradunne film van magnetiet gemaakt die tot nu toe niet voldoende was geordend om zijn volledige potentieel te bereiken.
Spintronica is een geavanceerde versie van elektronica die zowel lading als elektronenspin gebruikt voor energieoverdracht en -opslag. Magnetiet – een veel voorkomend ijzeroxidemineraal – kan vanwege zijn fascinerende fysieke eigenschappen nuttig zijn voor spintronica-technologie. Een kleine stimulus kan bijvoorbeeld de functionaliteit van de magnetietfilm snel veranderen van die van een metaal in een isolator. Dergelijke functionaliteiten hangen kritisch af van de kristalliniteit van magnetiet. Vooral voor ultradunne films die worden gebruikt in apparaattoepassingen, is het moeilijk om magnetiet met een hoge kristalliniteit te fabriceren vanwege de imperfectie van het substraatoppervlak, dat de basis vormt van de dunne film. Het is echter moeilijk om een atomair geordend en extreem vlak oppervlak over een volledig substraat voor te bereiden. Deze uitdaging overwinnen door conventionele chemische polijsttechnieken te verbeteren, is iets wat de onderzoekers van de Universiteit van Osaka wilden aanpakken.
Fig.3 Overgangseigenschappen van een hoogwaardige ultradunne magnetietfilm. Er werd een duidelijke verandering in weerstand waargenomen. Krediet: Ai I. Osaka et al.
“De uniformiteit en eigenschappen van dunne films hangen af van de perfectie van het onderliggende substraat”, legt hoofdauteur van het onderzoek Ai Osaka uit. “Conventionele technologieën voor het voorbereiden van de eenkristalsubstraten offeren de kristalliniteit op om de vlakheid te optimaliseren, maar dit beperkt de prestaties van de overliggende magnetietfilm.”
De onderzoekers gebruikten een chemische polijsttechniek – bekend onder het acroniem CARE – om een atomair vlak en sterk geordend magnesiumoxidesubstraat te bereiden. Magnetiet afgezet op dit ultragladde substraat vertoont superieure kristalliniteit en geleidende eigenschappen, vergeleken met dat afgezet op een conventioneel substraat.
Fig.2 Een schema van onze originele polijsttechniek, CARE. Selectieve verwijdering van atomen uit de bolle romp leidt tot een atomair vlak oppervlak. Krediet: Ai I. Osaka et al.
“Door de CARE-behandeling van het substraat kon de dunne film een temperatuurafhankelijke verandering in weerstand ondergaan, ook wel de Verwey-overgang genoemd, van een factor 5,9”, zegt senior auteur Azusa Hattori. “Dit is ongekend in grote gebieden, maar essentieel voor implementatie.”
Deze resultaten hebben belangrijke toepassingen. Voorgestelde kwantumcomputertechnologieën kunnen afhankelijk zijn van spintronica om logistieke, biochemische en cryptografieproblemen te optimaliseren die klassieke computers verslaan. De onderzoekers van de Universiteit van Osaka hebben een belangrijke stap gezet om magnetiet in staat te stellen als basismateriaal te dienen voor spintronica en andere geavanceerde elektronica, die het leven en werk in de komende decennia zal veranderen.
Ai I Osaka et al, Niet-verslechterende Verwey-overgang in 50-nm-dikke Fe3O4 Films op deugd van atomair afgeplatte MgO-substraten: implicaties voor magneto-resistieve apparaten, ACS toegepaste nanomaterialen (2021). DOI: 10.1021/acsanm.1c02634
Geleverd door de Universiteit van Osaka
