A prova de que uma nova capacidade de fazer crescer filmes finos de uma importante classe de materiais chamados óxidos complexos irá, pela primeira vez, tornar esses materiais comercialmente viáveis, de acordo com os cientistas de materiais da Penn State.

Óxidos complexos são cristais com uma composição que normalmente consiste em oxigênio e pelo menos dois outros, elementos diferentes. Em sua forma cristalina e dependendo da combinação de elementos, óxidos complexos exibem uma gama enorme de propriedades.

"Óxidos complexos às vezes são chamados de materiais funcionais, porque eles são literalmente bons para tudo, "diz Roman Engel-Herbert, professor associado de ciência e engenharia de materiais, química e física, Estado de Penn.

Os óxidos complexos específicos que seu grupo tem como alvo são chamados de óxidos de perovskita. A estrutura cristalina - o arranjo dos átomos - deste material contém dois íons carregados positivamente que podem ser substituídos por quase todos os elementos da tabela periódica formando íons carregados positivamente. Dependendo de qual tipo de átomos são substituídos, os pesquisadores são capazes de obter quaisquer propriedades que lhes interessem, incluindo magnetismo, ferroeletricidade, piro e piezoeletricidade - a capacidade de sentir e responder ao calor e de transformar eletricidade em movimento mecânico ou vice-versa, e até supercondutividade.

Até agora, a capacidade de utilizar esses materiais como filmes finos para eletrônicos e sensores foi prejudicada por uma taxa de crescimento muito lenta ou pela falta de controle da estequiometria, isto é, manter a quantidade de íons carregados positivamente no cristal na proporção certa. É ainda mais problemático que até agora nenhuma estratégia de integração comercialmente viável foi encontrada para combinar esses óxidos funcionais com a tecnologia de semicondutor existente de uma forma escalável e comercialmente viável.

"Para que a indústria aproveite os avanços dramáticos que testemunhamos neste campo de pesquisas complexas de óxidos, temos que integrar de alguma forma esses filmes finos em dispositivos usando tecnologias que são compatíveis com os processos de fabricação industrial existentes, "Engel-Herbert diz." Para fazer isso, você não precisa apenas do substrato certo no qual pode crescer o filme, você também precisa se certificar de que os substratos são grandes o suficiente para traduzir a tecnologia para a escala da indústria. Embora tais substratos não existam (ainda), agora há um caminho a seguir para preencher essa lacuna. "

Para resolver este problema, O grupo de Engel-Herbert desenvolve camadas espessas de óxidos complexos no topo de uma pastilha de silício. Esta camada espessa, às vezes referido como um 'substrato virtual' é estrutural e quimicamente compatível com a camada de filme fino de óxido complexo alvo, imitando assim a função de um substrato de óxido real. Esta estratégia de materiais não requer apenas um controle preciso das condições de crescimento para garantir um substrato virtual estruturalmente perfeito que pode servir como um

plataforma para integrar filmes de óxido funcionais diretamente no silício, mas também taxas de crescimento suficientemente rápidas. Este método, embora esteja bem estabelecido no campo da ciência de semicondutores, nunca foi aplicado a óxidos complexos. A principal barreira para o seu desenvolvimento tem sido a taxa de crescimento agonizantemente lenta para filmes finos de óxidos complexos, cerca de quatro angstroms por minuto, ou quatro décimos de nanômetro. Em taxas tão lentas, o crescimento de uma camada de óxido complexo suficientemente espessa exigiria de cinco a seis horas.

"Se você quiser usar um substrato virtual em vez de um substrato convencional de cristal único em massa, você precisa de taxas de crescimento muito maiores. Nossa descoberta mostra que agora podemos reduzir esse tempo de várias horas para alguns minutos, mantendo o controle perfeito sobre a qualidade do material, "Engel-Herbert diz.

O grupo demonstrou com sucesso taxas de crescimento de cerca de dois angstroms por segundo. Seus resultados indicam ainda que taxas de crescimento ainda maiores são possíveis, pavimentando o caminho para uma estratégia de integração comercialmente viável para essa classe funcional de materiais com silício.

"Até agora, apenas wafer de silício de 3 polegadas foram usados, mas isso ocorre apenas porque nossa câmara de crescimento no laboratório não foi projetada para lidar com pastilhas de Si maiores, ", diz ele." Não há razão para que isso não possa ser feito em wafers de silício comerciais de 10 polegadas. "

Um benefício adicional além de uma taxa de crescimento muito mais rápida é um custo muito reduzido para produzir substratos de óxido. Com preços uma fração do custo para substratos de óxido a granel atualmente disponíveis, os pesquisadores também se beneficiariam, levando a experimentos de filme fino de óxido mais complexos e, portanto, um progresso mais rápido nesta área de pesquisa. Uma vez que as propriedades dos óxidos complexos funcionais abrangem uma ampla gama, possíveis tecnologias futuras habilitadas por e se beneficiando de substratos virtuais de óxidos complexos escalonáveis ​​são generalizadas:de computadores quânticos baseados em qubits supercondutores, sensores, atuadores e sistemas microeletromecânicos (MEMS) até dispositivos ágeis de frequência que estão sendo considerados para futuros padrões de frequência de transmissão em redes 5G.

Autores adicionais no artigo, publicado online em Nature Communications , intitulado "Dimensionando taxas de crescimento para substratos virtuais de óxido de perovskita em silício, "são estudante de doutorado e autor principal Jason Lapano, ex-bolsista de pós-doutorado Matthew Brahlek, ex-aluno de pós-graduação Lei Zhang, atual Ph.D. o estudante Joseph Roth e o atual bolsista de pós-doutorado Alexej Pogrebnyakov.