O magnético, propriedades condutoras e ópticas de óxidos complexos os tornam essenciais para componentes de eletrônicos de próxima geração usados ​​para armazenamento de dados, de detecção, tecnologias de energia, dispositivos biomédicos e muitas outras aplicações.

O empilhamento de camadas de cristal único de óxido complexo ultrafino - aquelas compostas por átomos dispostos geometricamente - permite aos pesquisadores criar novas estruturas com propriedades híbridas e funções múltiplas. Agora, usando uma nova plataforma desenvolvida por engenheiros da University of Wisconsin-Madison e do Massachusetts Institute of Technology, os pesquisadores serão capazes de fazer esses materiais de cristal empilhado em combinações virtualmente ilimitadas.

A equipe publicou detalhes de seu avanço em 5 de fevereiro no jornal Natureza .

Epitaxia é o processo de deposição de um material sobre o outro de maneira ordenada. O novo método de estratificação dos pesquisadores supera um grande desafio na epitaxia convencional - que cada nova camada de óxido complexo deve ser compatível com a estrutura atômica da camada subjacente. É como empilhar blocos de Lego:os orifícios na parte inferior de um bloco devem estar alinhados com os pontos em relevo no outro. Se houver uma incompatibilidade, os blocos não se encaixam corretamente.

"A vantagem do método convencional é que você pode fazer crescer um único cristal perfeito no topo de um substrato, mas você tem uma limitação, "diz Chang-Beom Eom, um professor de ciência dos materiais e engenharia e física da UW-Madison. "Quando você cultiva o próximo material, sua estrutura deve ser a mesma e seu espaçamento atômico deve ser semelhante. Isso é uma restrição, e além dessa restrição, não cresce bem. "

Alguns anos atrás, uma equipe de pesquisadores do MIT desenvolveu uma abordagem alternativa. Liderado por Jeehwan Kim, professor associado em engenharia mecânica e ciência e engenharia de materiais no MIT, o grupo adicionou uma camada intermediária ultrafina de um material de carbono exclusivo chamado grafeno, em seguida, usei epitaxia para fazer crescer uma fina camada de material semicondutor sobre ela. Apenas uma molécula de espessura, o grafeno atua como uma proteção destacável devido à sua ligação fraca. Os pesquisadores conseguiram remover a camada semicondutora do grafeno. O que restou foi uma folha ultrafina independente de material semicondutor.

Eom, um especialista em materiais óxidos complexos, afirma que eles são intrigantes porque têm uma ampla gama de propriedades ajustáveis ​​- incluindo várias propriedades em um material - que muitos outros materiais não têm. Então, fazia sentido aplicar a técnica de peel-away a óxidos complexos, que são muito mais desafiadores para crescer e integrar.

"Se você tiver esse tipo de crescimento e remoção de cortar e colar, combinado com a funcionalidade diferente de colocar materiais de óxido de cristal único juntos, você tem uma tremenda possibilidade de fazer dispositivos e fazer ciência, "diz Eom, que se conectou com engenheiros mecânicos no MIT durante um sabático lá em 2014.

Os grupos de pesquisa Eom e Kim combinaram sua experiência para criar camadas de cristal único de óxido complexo ultrafino, novamente usando grafeno como intermediário destacável. Mais importante, Contudo, eles conquistaram um obstáculo antes intransponível - a diferença na estrutura do cristal - na integração de diferentes materiais óxidos complexos.

"Os materiais magnéticos têm uma estrutura de cristal, enquanto os materiais piezoelétricos têm outro, "diz Eom." Então você não pode cultivá-los um em cima do outro. Quando você tenta cultivá-los, apenas se torna confuso. Agora podemos crescer as camadas separadamente, descasque-os, e integrá-los. "

Em sua pesquisa, a equipe demonstrou a eficácia da técnica usando materiais como perovskita, espinela e granada, entre vários outros. Eles também podem empilhar materiais de óxido complexo único e semicondutores.

“Isso abre a possibilidade para o estudo de novas ciências, o que nunca foi possível no passado porque não podíamos cultivá-lo, "diz Eom." Empilhar isso era impossível, mas agora é possível imaginar infinitas combinações de materiais. Agora podemos colocá-los juntos. "

O avanço também abre portas para novos materiais com funcionalidades que impulsionam as tecnologias do futuro.

"Este avanço, o que teria sido impossível usando técnicas convencionais de crescimento de película fina, abre o caminho para possibilidades quase ilimitadas no design de materiais, "diz Evan Runnerstrom, gerente do programa de design de materiais no Gabinete de Pesquisa do Exército, que financiou parte da pesquisa. "A capacidade de criar interfaces perfeitas e, ao mesmo tempo, acoplar classes díspares de materiais complexos pode permitir comportamentos e propriedades ajustáveis ​​inteiramente novos, que poderia ser potencialmente aproveitado para novas capacidades do Exército em comunicações, sensores reconfiguráveis, eletrônicos de baixa potência, e ciência da informação quântica. "