El análisis de un equipo dirigido por investigadores de Argonne revela detalles nunca antes vistos sobre un tipo de película delgada que se está explorando para microelectrónica avanzada.

La investigación de un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ofrece una nueva, vista nanoscópica de óxidos complejos, que son prometedoras para la microelectrónica avanzada.

Los óxidos complejos son materiales multifuncionales que eventualmente podrían conducir a una eficiencia energética, componentes de memoria electrónicos avanzados y dispositivos de computación cuántica. Generalmente, estos materiales se producen capa por capa sobre un sustrato atómicamente emparejado, un proceso conocido como crecimiento epitaxial.

Para utilizar óxidos complejos en electrónica, deben producirse en silicio, una tarea imposible para las técnicas de crecimiento epitaxial existentes, ya que las estructuras atómicas de estos dos materiales no coinciden. Una posible solución es hacer crecer los óxidos complejos en otro lugar y luego transferir la película a otro sustrato. Sin embargo, Surge una pregunta clave:¿Las propiedades locales de una película delgada de óxido complejo permanecerán intactas si la levanta de un sustrato y la deposita sobre otro?

La nueva investigación revela conocimientos sobre óxidos complejos independientes que eventualmente podrían crear un campo de investigación completamente nuevo:la microelectrónica de óxidos complejos. El trabajo se detalla en un documento, "Movimiento de pared de dominio ferroeléctrico en película delgada de óxido de complejo monocristalino independiente, "publicado recientemente en la revista Materiales avanzados .

Usando microscopía de sonda de barrido, el equipo estudió titanato de circonio y plomo (PZT), un tipo de película fina ferroeléctrica de óxido de complejo monocristalino. Estas películas de monocristal tienen propiedades ideales para la microelectrónica:están altamente polarizadas, soportable y conmutable rápidamente, haciéndolos adecuados para futuros chips de memoria ferroeléctricos de acceso aleatorio, por ejemplo.

El crecimiento de estas películas delgadas requiere temperaturas de aproximadamente 700 ° C (1292 ° F), que deteriora las propiedades de la capa interfacial si se cultiva directamente sobre silicio. Entonces, los investigadores cultivaron el PZT en un sustrato más adecuado:una base de titanato de estroncio (STO) con una "capa de sacrificio" de manganita de estroncio de lantano (LSMO) intercalada en el medio. Para transferir la película fina de PZT a otro sustrato, los investigadores rompieron los lazos que lo unían con la LSMO.

"PZT crece maravillosamente en LSMO, "dijo Saidur Rahman Bakaul, un científico asistente de materiales en Argonne que dirigió el estudio. "Queríamos ver qué pasa si cortamos esa interfaz".

Después de transformar el PZT en una película independiente, el equipo de investigación dio la vuelta a la película y la volvió a depositar suavemente sobre un sustrato STO-LSMO idéntico. Esto permitió una primera vista de la parte inferior separada de PZT.

"Es como mirar el otro lado de la luna, que normalmente no ves, "Dijo Bakaul.

El equipo utilizó microscopía de fuerza electrostática con sondas de radio de 20 nanómetros para medir las propiedades ferroeléctricas locales del material. Su análisis mostró que las propiedades estáticas locales de la superficie inferior del PZT independiente eran bastante similares en comparación con las de la superficie superior. Este descubrimiento, Bakaul dijo:es muy alentador para la microelectrónica de óxidos complejos del futuro, porque confirma que la superficie interfacial de la película PZT transferida es una capa ferroeléctrica de alta calidad. Eso significa que la técnica de transferencia debería poder combinar los mejores materiales de diferentes mundos, como PZT (ferroeléctrico) y silicio (semiconductores). Hasta aquí, ninguna técnica de crecimiento directo ha logrado esto sin dañar la superficie interfacial.

Usando imágenes de microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica, Los científicos encontraron que la velocidad de la pared del dominio ferroeléctrico de la capa desprendida, una medida del paisaje de energía electrostática de los óxidos complejos, era casi 1, 000 veces más lento que las películas PZT adheridas fuertemente.

Para averiguar por qué el equipo examinó primero las capas atómicas en la superficie inferior de la película PZT con microscopía de fuerza atómica, que reveló anomalías en la superficie. Para una mirada aún más cercana, se dirigieron al Centro de materiales a nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, donde usaron una nano sonda de rayos X para ver las inclinaciones en planos atómicos, revelando ondas nunca antes vistas.

Las ondas Bakaul dijo:se elevan a la altura de solo una millonésima parte del diámetro de una cabeza de alfiler, pero aún puede crear un campo eléctrico fuerte que evita que la pared del dominio se mueva, el análisis teórico reveló. Esta afirmación se apoyó además con mediciones de un microscopio de capacitancia de barrido.

La presencia de tales ondulaciones estructurales en óxidos complejos, que solía ser conocida como cerámica no flexible, es un descubrimiento científico nuevo y emocionante y un futuro patio de recreo para explorar fenómenos físicos inducidos por gradientes de deformación fuertes, como los efectos flexoeléctricos. Sin embargo, en dispositivos microelectrónicos, estas pequeñas ondas pueden inducir variabilidad de dispositivo a dispositivo.

La obra, que contó con el apoyo de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE, ofrece un nivel de detalle único e importante sobre las propiedades de las películas delgadas de óxido complejo independiente.

"Nuestro estudio muestra que este material está listo para futuras aplicaciones microelectrónicas, "Bakaul dijo, "pero requerirá más investigación sobre las formas de evitar estas ondas".