Prueba de que una nueva capacidad para hacer crecer películas delgadas de una clase importante de materiales llamados óxidos complejos, por primera vez, hacer que estos materiales sean comercialmente viables, según los científicos de materiales de Penn State.

Los óxidos complejos son cristales con una composición que normalmente consiste en oxígeno y al menos otros dos, diferentes elementos. En su forma cristalina y dependiendo de la combinación de elementos, Los óxidos complejos presentan una enorme variedad de propiedades.

"Los óxidos complejos a veces se denominan materiales funcionales, porque literalmente sirven para todo, "dice Roman Engel-Herbert, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, química y física, Penn State.

Los óxidos complejos particulares a los que se dirige su grupo se denominan óxidos de perovskita. La estructura cristalina —la disposición de los átomos— de este material contiene dos iones cargados positivamente que pueden ser sustituidos por casi todos los elementos de la tabla periódica formando iones cargados positivamente. Dependiendo del tipo de átomos que se sustituyan, los investigadores pueden obtener las propiedades que les interesan, incluido el magnetismo, ferroelectricidad, piroelectricidad y piezoelectricidad:la capacidad de sentir y responder al calor y convertir la electricidad en movimiento mecánico o viceversa. e incluso superconductividad.

Hasta ahora, la capacidad de utilizar estos materiales como películas delgadas para la electrónica y los sensores se ha visto obstaculizada por una tasa de crecimiento muy lenta o una falta de control de estequiometría, es decir, mantener la cantidad de iones cargados positivamente en el cristal en la proporción correcta. Es aún más problemático que hasta ahora no se haya encontrado ninguna estrategia de integración comercialmente viable para combinar estos óxidos funcionales con la tecnología de semiconductores existente de una manera escalable y comercialmente viable.

"Para que la industria aproveche los avances dramáticos que hemos presenciado en este campo de investigación compleja de óxidos, Tenemos que integrar de alguna manera estas películas delgadas en dispositivos que utilicen tecnologías que sean compatibles con los procesos de fabricación industrial existentes. ", Dice Engel-Herbert." Para hacer eso, no solo necesita el sustrato correcto sobre el que puede hacer crecer la película, También debe asegurarse de que los sustratos sean lo suficientemente grandes para trasladar la tecnología a la escala de la industria. Si bien estos sustratos no existen (todavía), ahora hay un camino a seguir para salvar esta brecha ".

Para resolver este problema, El grupo de Engel-Herbert desarrolla capas gruesas de óxidos complejos sobre una oblea de silicio. Esta capa gruesa, a veces denominado 'sustrato virtual' es estructural y químicamente compatible con la capa de película delgada de óxido complejo objetivo, imitando así la función de un sustrato de óxido a granel real. Esta estrategia de materiales no solo requiere un control preciso de las condiciones de crecimiento para garantizar un sustrato virtual estructuralmente perfecto que pueda servir como un

plataforma para integrar películas de óxido funcionales directamente sobre silicio, pero también tasas de crecimiento suficientemente rápidas. Este método, aunque está bien establecido en el campo de la ciencia de los semiconductores, nunca se ha aplicado a óxidos complejos. La principal barrera para su desarrollo ha sido la velocidad de crecimiento terriblemente lenta de las películas delgadas de óxido complejo, unos cuatro angstroms por minuto, o cuatro décimas de nanómetro. A velocidades tan lentas, el crecimiento de una capa de óxido complejo suficientemente gruesa requeriría de cinco a seis horas.

"Si desea utilizar un sustrato virtual en lugar de un sustrato monocristalino a granel convencional, necesita tasas de crecimiento de órdenes de magnitud más altas. Nuestro avance muestra que ahora podemos reducir este tiempo de varias horas a un par de minutos mientras mantenemos un control perfecto sobre la calidad del material. "Dice Engel-Herbert.

El grupo ha demostrado con éxito tasas de crecimiento de aproximadamente dos angstroms por segundo. Sus resultados indican además que son posibles tasas de crecimiento aún mayores, allanando el camino hacia una estrategia de integración comercialmente viable para esta clase funcional de materiales con silicio.

"Hasta ahora solo se han utilizado obleas de silicio de 3 pulgadas, pero esto se debe solo a que nuestra cámara de crecimiento en el laboratorio no está diseñada para manejar obleas de Si más grandes, ", dice." No hay ninguna razón por la que esto no se pueda hacer en obleas de silicio comerciales de 10 pulgadas ".

Un beneficio adicional además de una tasa de crecimiento mucho más rápida es un costo muy reducido para producir sustratos de óxido. Con precios una fracción del costo de los sustratos de óxido a granel disponibles actualmente, los investigadores también se beneficiarían, conduciendo a experimentos de película delgada de óxido más complejos y, por lo tanto, a un progreso más rápido en esta área de investigación. Dado que las propiedades de los óxidos complejos funcionales abarcan una amplia gama, Las posibles tecnologías futuras habilitadas por y beneficiándose de sustratos virtuales de óxido complejo escalable están muy extendidas:desde computadoras cuánticas basadas en qubits superconductores, sensores, actuadores y sistemas microelectromecánicos (MEMS) hasta dispositivos de frecuencia ágil que se están considerando para futuros estándares de frecuencia de transmisión en redes 5G.

Autores adicionales en el artículo, publicado en línea en Comunicaciones de la naturaleza , titulado "Tasas de crecimiento de escala para sustratos virtuales de óxido de perovskita en silicio, "son el estudiante de doctorado y autor principal Jason Lapano, ex becario postdoctoral Matthew Brahlek, ex estudiante de posgrado Lei Zhang, actual Ph.D. el estudiante Joseph Roth y el actual becario postdoctoral Alexej Pogrebnyakov.