晶体堆叠工艺可以生产用于高科技设备的新材料

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复合氧化物的磁性,导电性和光学性质使其成为用于数据存储,传感,能源技术,生物医学设备和许多其他应用的下一代电子设备组件的关键。

堆叠超薄复合氧化物单晶层-由几何排列的原子组成-使研究人员能够创建具有混合特性和多功能的新结构。现在,使用威斯康星大学麦迪逊分校和麻省理工学院的工程师开发的新平台,研究人员将能够以几乎无限的组合来制造这些叠层晶体材料。

该小组于2月5日在《自然》杂志上发表了其进展的详细信息。

外延是将一种材料有序地沉积在另一种材料上的过程。研究人员的新分层方法克服了传统外延技术的主要挑战-每个新的复合氧化物层必须与下层的原子结构紧密相容。有点像堆叠乐高积木:一个积木底部的孔必须与另一个积木顶部的凸起点对齐。如果不匹配,则这些块将无法正确组合在一起。

威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程和物理学教授Chang-Beom Eom说:“传统方法的优势在于,您可以在衬底的顶部上生长出完美的单晶,但存在局限性。” “当您生长下一种材料时,您的结构必须相同且原子间距必须相似。这是一个约束,而且超出该约束,它将无法很好地生长。”

几年前,麻省理工学院的研究人员团队开发了另一种方法。在麻省理工学院机械工程与材料科学与工程学副教授Jeehwan Kim的带领下,该小组添加了一种独特的碳材料(称为石墨烯)的超薄中间层,然后利用外延在其上生长出一层薄的半导体材料层。石墨烯只有一个分子厚,由于其弱键合,其作用就像可剥离的背衬。研究人员可以从石墨烯中去除半导体层。剩下的是一块独立的超薄半导体材料片。

复杂氧化物材料专家Eom表示,它们之所以令人着迷,是因为它们具有广泛的可调特性-包括一种材料的多种特性-许多其他材料却没有。因此,将剥离技术应用于复合氧化物是有意义的,复合氧化物的生长和集成更具挑战性。

“如果您具有这种剪切粘贴的生长和去除功能,再加上将单晶氧化物材料放在一起的不同功能,那么您就有很大的可能制造设备并进行科学研究,”与机械相关的Eom说。麻省理工学院的工程师在2014年放假期间。

Eom和Kim的研究小组结合了他们的专长,创建了超薄的复合氧化物单晶层,再次使用石墨烯作为可剥离的中间体。然而,更重要的是,他们在整合不同的复合氧化物材料方面克服了以前无法克服的障碍-晶体结构的差异。

“磁性材料具有一种晶体结构,而压电材料则具有另一种晶体结构,” Eom说。“因此,您不能将它们彼此叠加生长。当您尝试使其生长时,会变得很杂乱。现在我们可以分别生长各层,将它们剥离并整合在一起。”

在研究中,该团队使用钙钛矿,尖晶石和石榴石等材料展示了该技术的有效性。它们还可以堆叠单个复合氧化物材料和半导体。

Eom说:“这为研究新科学开辟了可能性,这在过去是不可能的,因为我们无法发展它。” “不可能将它们堆叠在一起,但是现在可以想象材料的无限组合。现在我们可以将它们组合在一起。”

这一进步也为具有驱动未来技术功能的新材料打开了大门。

陆军研究办公室材料设计项目经理埃文·特伦斯特罗姆(Evan Runnerstrom)说:“使用传统的薄膜生长技术是不可能取得这种进步的,这为材料设计中几乎无限的可能性扫清了道路。” “在结合不同种类的复杂材料的同时创建完美界面的能力可能会带来全新的行为和可调特性,这有可能被用于陆军在通信,可重构传感器,低功耗电子学和量子信息科学方面的新功能。”


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