A análise de uma equipe liderada por pesquisadores de Argonne revela detalhes nunca antes vistos sobre um tipo de filme fino que está sendo explorado para microeletrônica avançada.

A pesquisa de uma equipe liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) oferece um novo, visão nanoscópica de óxidos complexos, que são promissores para microeletrônica avançada.

Óxidos complexos são materiais multifuncionais que podem eventualmente levar a eficiência energética, componentes avançados de memória eletrônica e dispositivos de computação quântica. Geralmente, esses materiais são produzidos camada por camada em um substrato atomicamente combinado, um processo conhecido como crescimento epitaxial.

Para usar óxidos complexos em eletrônicos, eles precisam ser produzidos em silício, uma tarefa impossível para as técnicas de crescimento epitaxial existentes, uma vez que as estruturas atômicas desses dois materiais não combinam. Uma solução possível é fazer crescer os óxidos complexos em outro lugar e, em seguida, transferir o filme para outro substrato. Contudo, surge uma questão chave:as propriedades locais de um filme fino de óxido complexo permanecerão intactas se você retirá-lo de um substrato e depositá-lo em outro?

A nova pesquisa revela insights sobre óxidos complexos autônomos que poderiam eventualmente criar um campo de pesquisa inteiramente novo:microeletrônica de óxidos complexos. O trabalho é detalhado em um artigo, "Ferroelectric Domain Wall Motion in Freestanding Single Crystal Complex Oxide Thin Film, "publicado recentemente no jornal Materiais avançados .

Usando microscopia de varredura de sonda, a equipe estudou titanato de zircônio de chumbo (PZT), um tipo de filme fino ferroelétrico de óxido complexo de cristal único. Esses filmes de cristal único têm propriedades ideais para microeletrônica - eles são altamente polarizados, suportável e comutável rapidamente, tornando-os adequados para futuros chips ferroelétricos de memória de acesso aleatório, por exemplo.

O crescimento dessas películas finas requer temperaturas de cerca de 700 ° C (1292 ° F), que deteriora as propriedades da camada interfacial se cultivado diretamente em silício. Assim, os pesquisadores cultivaram o PZT em um substrato mais ameno - uma base de titanato de estrôncio (STO) com uma "camada sacrificial" de lantânio estrôncio manganita (LSMO) intercalada. Para transferir o filme fino de PZT para outro substrato, os pesquisadores romperam os laços que o uniam ao LSMO.

"O PZT cresce lindamente no LSMO, "disse Saidur Rahman Bakaul, um cientista de materiais assistente em Argonne que liderou o estudo. "Queríamos ver o que aconteceria se cortarmos essa interface."

Depois de transformar o PZT em um filme independente, a equipe de pesquisa virou o filme e o redepositou suavemente em um substrato STO-LSMO idêntico. Isso permitiu uma visão inédita do lado inferior destacado do PZT.

"É como olhar para o outro lado da lua, que você normalmente não vê, "Bakaul disse.

A equipe usou microscopia de força eletrostática com sondas de raio de 20 nanômetros para medir as propriedades ferroelétricas locais do material. Sua análise mostrou que as propriedades estáticas locais da superfície inferior do PZT autônomo eram bastante semelhantes em comparação com as da superfície superior. Esta descoberta, Bakaul disse, é muito encorajador para a futura microeletrônica de óxido complexa, porque confirma que a superfície interfacial do filme PZT transferido é uma camada ferroelétrica de alta qualidade. Isso significa que a técnica de transferência deve ser capaz de combinar os melhores materiais de mundos diferentes, como PZT (ferroelétrico) e silício (semicondutores). Até aqui, nenhuma técnica de crescimento direto conseguiu isso sem danificar a superfície interfacial.

Usando imagens de microscopia de força piezoresponse, os cientistas descobriram que a velocidade da parede de domínio ferroelétrico da camada separada - uma medida da paisagem de energia eletrostática de óxidos complexos - era quase 1, 000 vezes mais lento do que os filmes PZT com consolidação forte.

Para descobrir o porquê, a equipe examinou primeiro as camadas atômicas na superfície inferior do filme PZT com microscopia de força atômica, que revelou anomalias na superfície. Para ver ainda mais de perto, eles recorreram ao Centro de Materiais em nanoescala de Argonne, um DOE Office of Science User Facility, onde eles usaram uma nanossonda de raios-X para ver as inclinações em planos atômicos, revelando ondulações nunca antes vistas.

As ondulações, Bakaul disse, atingir a altura de apenas um milionésimo do diâmetro da cabeça de um alfinete, mas ainda pode criar um forte campo elétrico que impede a parede do domínio de se mover, a análise teórica revelou. Esta afirmação foi posteriormente apoiada com medições de um microscópio de capacitância de varredura.

A presença de tais ondulações estruturais em óxidos complexos, que costumava ser conhecido como cerâmica não dobrável, é uma excitante nova descoberta científica e um futuro playground para explorar fenômenos físicos induzidos por gradiente de deformação forte, como efeitos flexoelétricos. Contudo, em dispositivos microeletrônicos, essas pequenas ondulações podem induzir a variabilidade de dispositivo para dispositivo.

O trabalho, que foi apoiado pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE, oferece um nível de detalhe único e importante sobre as propriedades de filmes finos de óxidos complexos independentes.

"Nosso estudo mostra que este material está pronto para ir para futuras aplicações microeletrônicas, "Bakaul disse, "mas vai exigir mais pesquisas sobre as maneiras de evitar essas ondulações."