Onderzoekers ontwikkelen een nieuwe ‘super-tetragonale’ opofferingslaag voor vrijstaande oxidemembranen

Onderzoekers hebben een nieuwe in water oplosbare opofferingslaag ontwikkeld, “super-tetragonale” Sr₄Al₂O₇ (SAO_T), met brede afstembaarheid in roosterconstanten, die kunnen worden gebruikt om een ​​vrijstaand oxidemembraan van hoge kwaliteit te bereiden. Hun werk is gepubliceerd in Wetenschap.

Een vrijstaand oxidemembraan is een soort laagdimensionaal kwantummateriaal dat de eigenschappen van één kristal behoudt, zelfs na verwijdering van het substraat, en bezit zowel de gekoppelde eigenschappen van meervoudige vrijheidsgraden in gecorreleerde elektronensystemen als de structurele flexibiliteit van tweedimensionale materialen. De unieke eigenschappen ervan, zoals superelasticiteit, bieden het potentieel om nieuwe kwantumgerelateerde verschijnselen te induceren en ultradunne flexibele elektronische apparaten te ontwikkelen.

De spanningsrelaxatie tussen de wateroplosbare opofferingslaag en het oxidemembraan veroorzaakt echter de vorming van scheuren met hoge dichtheid tijdens de door water ondersteunde exfoliatie van het vrijstaande oxidemembraan, waardoor de kristalliniteit en integriteit van het huidige vrijstaande oxidemembraan in gevaar worden gebracht. Het onderdrukken van de scheurvorming en het verkrijgen van hoogkristallijne, vrijstaande oxidemembranen met een groot oppervlak blijft een uitdaging.

Om het probleem aan te pakken, verdiepte het team zich in het gepulseerde laserdepositiegroeivenster van op Sr-Al-O (SAO) gebaseerde wateroplosbare opofferingslaag en ontdekte een voorheen onbekende Sr₄Al₂O₇ film, die buitengewone eigenschappen vertoont.

De biaxiaal gespannen Sr₄Al₂O₇ film heeft een tetragonale structurele symmetrie, waardoor een coherente groei van hoogwaardige ABO mogelijk is₃/SAO_T epitaxiale heterostructuren, die de scheurvorming tijdens door water ondersteunde afgifte onderdrukt en zo de kristalliniteit en integriteit van een vrijstaand oxidemembraan verbetert.

Het team verifieerde ook het exfoliatie-effect van perovskietoxidefilms met een breed roosterconstante bereik (3,85 tot 4,04 Å) en onthulde dat de scheurvrije gebieden van het vrijstaande oxidemembraan vrijkomen uit de Sr₄Al₂O₇ De opofferingslaag kan een schaal van enkele millimeters overspannen, wat 1 à 3 ordes van grootte groter is dan het vorige vrijstaande oxidemembraan. Bovendien zijn de kristalliniteit en functionaliteiten van het vrijstaande oxidemembraan van het team vergelijkbaar met de epitaxiale membranen die op enkelvoudige kristallijne substraten zijn gegroeid.

Bovendien ontdekte het team dat de unieke structuur van Sr₄Al₂O₇ resulteert in een hoge wateroplosbaarheid, waardoor de tijd van waterondersteunde vrijgaveprocessen aanzienlijk wordt verkort en de efficiëntie van vrijstaande oxidemembraan wordt verbeterd.

Deze ontdekking is een doorbraak in het verbeteren van de integriteit en kristalliniteit van vrijstaande oxidemembranen, waardoor hun toepassingspotentieel in laagdimensionale flexibele elektronische apparaten kan worden vergroot. Recensenten prijzen dit werk ten zeerste en zeggen dat “(dit werk) het potentieel heeft om vanuit meerdere perspectieven een brede impact te hebben op oxide-elektronica.”

Het onderzoeksteam werd geleid door prof. Wu Wenbing en prof. Wang Linfei van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, in samenwerking met het team van prof. Si Liang van de Northwest University.