El magnético Las propiedades conductoras y ópticas de los óxidos complejos los hacen clave para los componentes de la electrónica de próxima generación que se utilizan para el almacenamiento de datos. sintiendo tecnologías energéticas, dispositivos biomédicos y muchas otras aplicaciones.

El apilamiento de capas de monocristal de óxido de complejo ultradelgado, compuestas por átomos dispuestos geométricamente, permite a los investigadores crear nuevas estructuras con propiedades híbridas y funciones múltiples. Ahora, utilizando una nueva plataforma desarrollada por ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, los investigadores podrán fabricar estos materiales de cristales apilados en combinaciones prácticamente ilimitadas.

El equipo publicó detalles de su avance el 5 de febrero en la revista. Naturaleza .

La epitaxia es el proceso de depositar un material encima de otro de forma ordenada. El nuevo método de estratificación de los investigadores supera un desafío importante en la epitaxia convencional:que cada nueva capa de óxido complejo debe ser estrechamente compatible con la estructura atómica de la capa subyacente. Es como apilar bloques de Lego:los agujeros en la parte inferior de un bloque deben alinearse con los puntos en relieve encima del otro. Si hay una discrepancia, los bloques no encajarán correctamente.

"La ventaja del método convencional es que puede cultivar un monocristal perfecto sobre un sustrato, pero tienes una limitación, "dice Chang-Beom Eom, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física de la UW-Madison. "Cuando cultivas el siguiente material, su estructura tiene que ser la misma y su espaciado atómico debe ser similar. Eso es una restricción y más allá de esa restricción, no crece bien ".

Un par de años atras, un equipo de investigadores del MIT desarrolló un enfoque alternativo. Dirigido por Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, el grupo agregó una capa intermedia ultrafina de un material de carbono único llamado grafeno, luego usó epitaxia para hacer crecer una capa delgada de material semiconductor encima de eso. Solo una molécula de espesor el grafeno actúa como un respaldo desprendible debido a su débil unión. Los investigadores pudieron eliminar la capa semiconductora del grafeno. Lo que quedaba era una hoja ultrafina independiente de material semiconductor.

Eom, un experto en materiales de óxidos complejos, dice que son intrigantes porque tienen una amplia gama de propiedades ajustables, incluidas múltiples propiedades en un material, que muchos otros materiales no tienen. Entonces, tenía sentido aplicar la técnica de peel-away a óxidos complejos, que son mucho más desafiantes para crecer e integrarse.

"Si tiene este tipo de crecimiento y eliminación de cortar y pegar, combinado con la funcionalidad diferente de juntar materiales de óxido monocristalino, tienes una gran posibilidad de hacer dispositivos y hacer ciencia, "dice Eom, que se conectó con ingenieros mecánicos en el MIT durante un año sabático allí en 2014.

Los grupos de investigación de Eom y Kim combinaron su experiencia para crear capas de monocristal de óxido complejo ultradelgado, nuevamente usando grafeno como el intermedio peel-away. Más importante, sin embargo, conquistaron un obstáculo previamente insuperable, la diferencia en la estructura cristalina, al integrar diferentes materiales de óxidos complejos.

"Los materiales magnéticos tienen una estructura de cristal, mientras que los materiales piezoeléctricos tienen otro, "dice Eom." Así que no puedes cultivarlos uno encima del otro. Cuando intentas cultivarlos, simplemente se vuelve desordenado. Ahora podemos hacer crecer las capas por separado, despegarlos, e integrarlos ".

En su investigación, el equipo demostró la eficacia de la técnica utilizando materiales como perovskita, espinela y granate, entre varios otros. También pueden apilar semiconductores y materiales de óxidos complejos simples.

"Esto abre la posibilidad para el estudio de nueva ciencia, que nunca ha sido posible en el pasado porque no pudimos cultivarlo, "dice Eom." Apilarlos era imposible, pero ahora es posible imaginar infinitas combinaciones de materiales. Ahora podemos juntarlos ".

El avance también abre las puertas a nuevos materiales con funcionalidades que impulsan las tecnologías del futuro.

"Este avance, lo que hubiera sido imposible usando técnicas convencionales de crecimiento de película delgada, abre el camino a posibilidades casi ilimitadas en el diseño de materiales, "dice Evan Runnerstrom, gerente de programa en diseño de materiales en la Oficina de Investigación del Ejército, que financió parte de la investigación. "La capacidad de crear interfaces perfectas mientras se combinan clases dispares de materiales complejos puede permitir comportamientos completamente nuevos y propiedades ajustables, que potencialmente podría aprovecharse para las nuevas capacidades del Ejército en comunicaciones, sensores reconfigurables, electrónica de baja potencia, y ciencia de la información cuántica ".