Onderzoekers lossen mysterie op rond diëlektrische eigenschappen van uniek metaaloxide

Een door de Twin Cities geleid onderzoeksteam van de University of Minnesota heeft een al lang bestaand mysterie opgelost rond strontiumtitanaat, een ongewoon metaaloxide dat een isolator, een halfgeleider of een metaal kan zijn. Het onderzoek geeft inzicht voor toekomstige toepassingen van dit materiaal op elektronische apparaten en gegevensopslag.

De krant is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences.

Wanneer een isolator zoals strontiumtitanaat tussen tegengesteld geladen metalen platen wordt geplaatst, zorgt het elektrische veld tussen de platen ervoor dat de negatief geladen elektronen en de positieve kernen zich in de richting van het veld opstellen. Deze ordelijke opstelling van elektronen en kernen wordt tegengewerkt door thermische trillingen, en de mate van orde wordt gemeten door een fundamentele grootheid die de diëlektrische constante wordt genoemd. Bij lage temperaturen, waar de thermische trillingen zwak zijn, is de diëlektrische constante groter.

In halfgeleiders speelt de diëlektrische constante een belangrijke rol door te zorgen voor een effectieve “afscherming” of bescherming van de geleidende elektronen tegen andere geladen defecten in het materiaal. Voor toepassingen in elektronische apparaten is het van cruciaal belang om een ​​grote diëlektrische constante te hebben.

Monsters van strontiumtitanaat ter grootte van een centimeter van hoge kwaliteit vertonen een gemeten diëlektrische constante bij lage temperatuur van 22.000, wat vrij groot is en bemoedigend voor toepassingen. Maar voor de meeste toepassingen in computers en andere apparaten zijn dunne films nodig. Ondanks een enorme inspanning van veel onderzoekers die verschillende methoden gebruiken om dunne films te laten groeien, is er slechts een bescheiden diëlektrische constante van 100-1.000 bereikt in dunne films van strontiumtitanaat.

Bij dunne films, die slechts enkele atoomlagen dik kunnen zijn, kan het grensvlak tussen de film en het substraat, of de film en de volgende laag daarboven, een belangrijke rol spelen.

Bharat Jalan, senior auteur van de paper, professor en Shell Chair aan de afdeling Chemical Engineering and Materials Science van de University of Minnesota, theoretiseerde dat deze “begraven” interfaces de ware diëlektrische constante van strontiumtitanaat zouden kunnen maskeren. Door zorgvuldig rekening te houden met dit maskerende effect, ontdekten Jalan en zijn studenten dat de werkelijke diëlektrische constante van hun strontiumtitanaatfilms groter is dan 25.000 – de hoogste ooit gemeten voor dit materiaal.

De bevindingen van Jalan en zijn studenten en medewerkers geven een kritisch inzicht in de rol van interfaces tussen een isolator en een metaal zoals gevonden in condensatorstructuren die alomtegenwoordig zijn in moderne technologie, zelfs wanneer zowel het metaal als de isolator zijn afgeleid van hetzelfde materiaal.

“Halfgeleiders behoren tot de belangrijkste materialen die in de moderne technologie worden gebruikt,” zei Jalan. “Hoewel er veel bekend is over conventionele halfgeleiders zoals silicium en galliumarsenide, zijn er verschillende onopgeloste mysteries rond oxidehalfgeleiders zoals strontiumtitanaat.”

Jalan zei dat ze met dit onderzoek een al lang bestaand probleem hebben opgelost met betrekking tot de lage diëlektrische constanten in strontiumtitanaatfilms door defect- en interfacecontrole.

“Deze resultaten bouwen voort op een opmerkelijk succesverhaal voor de methode van filmgroei, bekend als hybride Molecular Beam Epitaxy, ontdekt door Jalan”, zegt Richard James, een Distinguished McKnight University Professor in de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en Mechanica, en een co -auteur in de studie. “De kwaliteit van de films van de groep van Jalan is werkelijk uitzonderlijk.”

De student die de groei-inspanning leidde, was Zhifei Yang, afgestudeerde student aan de School of Physics and Astronomy aan de Universiteit van Minnesota onder toezicht van Jalan.

“Het was heel de moeite waard om te zien dat een interface van slechts enkele atomaire lagen dik een enorme impact kan hebben op de gemeten waarde”, zei Yang over de ontdekking van hoge diëlektrische constanten.