Onderzoekers ontdekken nieuw proces om vrijstaande membranen van ‘slimme’ materialen te maken

Een team van wetenschappers en ingenieurs onder leiding van de Universiteit van Minnesota Twin Cities heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor het maken van dunne films van perovskietoxide-halfgeleiders, een klasse van “slimme” materialen met unieke eigenschappen die kunnen veranderen als reactie op stimuli zoals licht, magnetische velden, of elektrische velden.

De ontdekking stelt onderzoekers in staat om deze eigenschappen te benutten en ze zelfs te combineren met andere opkomende materialen op nanoschaal om betere apparaten te maken, zoals sensoren, slim textiel en flexibele elektronica.

Het blad is gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang.

Door materialen in dunne filmvorm te produceren, kunnen ze gemakkelijker worden geïntegreerd in kleinere componenten voor elektronische apparaten. Veel dunne films worden gemaakt met behulp van een techniek genaamd epitaxie, die bestaat uit het plaatsen van atomen van een materiaal op een substraat, of een soort sjabloon, om een ​​dunne laag materiaal te creëren, één atomaire laag tegelijk. De meeste dunne films die via epitaxie zijn gemaakt, zitten echter “vast” op hun gastheersubstraat, waardoor hun gebruik wordt beperkt. Als de dunne film van het substraat wordt losgemaakt om een ​​vrijstaand membraan te worden, wordt het veel functioneler.

Het door de Universiteit van Minnesota geleide team heeft een nieuwe manier gevonden om met succes een membraan te maken van een bepaald metaaloxide – strontiumtitanaat – en hun methode omzeilt verschillende problemen die de synthese van vrijstaande metaaloxidefilms in het verleden hebben geplaagd.

“We hebben een proces ontwikkeld waarbij we een vrijstaand membraan kunnen maken van vrijwel elk oxidemateriaal, het exfoliëren en het vervolgens overbrengen op elk interessant onderwerp dat we willen”, zegt Bharat Jalan, een senior auteur op het papier en een professor en Shell Leerstoel aan de afdeling Chemische Technologie en Materiaalkunde van de Universiteit van Minnesota. “Nu kunnen we profiteren van de functionaliteit van deze materialen door ze te combineren met andere materialen op nanoschaal, wat een breed scala aan zeer functionele, zeer efficiënte apparaten mogelijk zou maken.”

Het maken van vrijstaande membranen van “slimme” oxidematerialen is een uitdaging omdat de atomen in alle drie de dimensies gebonden zijn, in tegenstelling tot een tweedimensionaal materiaal, zoals grafeen. Een methode om membranen in oxidematerialen te maken, is het gebruik van een techniek die epitaxie op afstand wordt genoemd, waarbij een laag grafeen wordt gebruikt als tussenlaag tussen het substraat en het dunnefilmmateriaal.

Door deze benadering kan het dunne-filmoxidemateriaal een dunne film vormen en als een stuk tape van het substraat worden afgepeld, waardoor een vrijstaand membraan ontstaat. De grootste belemmering voor het gebruik van deze methode met metaaloxiden is echter dat de zuurstof in het materiaal het grafeen bij contact oxideert, waardoor het monster kapot gaat.

Met behulp van hybride moleculaire bundelepitaxie, een techniek ontwikkeld door het laboratorium van Jalan aan de Universiteit van Minnesota, konden de onderzoekers dit probleem omzeilen door titanium te gebruiken dat al aan zuurstof was gebonden. Bovendien maakt hun methode automatische stoichiometrische controle mogelijk, wat betekent dat ze de compositie automatisch kunnen regelen.

“We hebben voor het eerst aangetoond, en overtuigend door verschillende experimenten te doen, dat we een nieuwe methode hebben waarmee we complexe oxiden kunnen maken terwijl we ervoor zorgen dat grafeen niet wordt geoxideerd. Dat is een belangrijke mijlpaal in de synthesewetenschap, ” zei Jalan. “En we hebben nu een manier om deze complexe oxidemembranen te maken met een automatische stoichiometrische controle. Niemand heeft dat kunnen doen.”

De materiaalwetenschappers in het team van Jalan werkten nauw samen met technische onderzoekers in het laboratorium van professor Steven Koester van de afdeling Elektrotechniek en Computertechniek van de Universiteit van Minnesota, dat zich richt op het maken van 2D-materialen.

“Deze complexe oxiden zijn een brede klasse van materialen die veel echt belangrijke aangeboren functies hebben”, zegt Koester, ook een senior auteur van de studie en de directeur van het Minnesota Nano Center aan de Universiteit van Minnesota Twin Cities. “Nu kunnen we erover nadenken om ze te gebruiken om extreem kleine transistors te maken voor elektronische apparaten en in een breed scala aan andere toepassingen, waaronder flexibele sensoren, slim textiel en niet-vluchtige geheugens.”