Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Minnesota Twin Cities resolveu um mistério de longa data em torno do titanato de estrôncio, um óxido metálico incomum que pode ser um isolante, um semicondutor ou um metal. A pesquisa fornece insights para futuras aplicações deste material em dispositivos eletrônicos e armazenamento de dados.
O artigo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .

Quando um isolante como o titanato de estrôncio é colocado entre placas de metal com cargas opostas, o campo elétrico entre as placas faz com que os elétrons carregados negativamente e os núcleos positivos se alinhem na direção do campo. Esse alinhamento ordenado de elétrons e núcleos é resistido por vibrações térmicas, e o grau de ordem é medido por uma quantidade fundamental chamada constante dielétrica. Em baixas temperaturas, onde as vibrações térmicas são fracas, a constante dielétrica é maior.

Nos semicondutores, a constante dielétrica desempenha um papel importante ao fornecer uma "blindagem" efetiva, ou proteção, dos elétrons condutores de outros defeitos carregados no material. Para aplicações em dispositivos eletrônicos, é fundamental ter uma grande constante dielétrica.

Amostras de tamanho de centímetros de alta qualidade de titanato de estrôncio exibem uma constante dielétrica de baixa temperatura medida de 22.000, o que é bastante grande e encorajador para aplicações. Mas a maioria das aplicações em computadores e outros dispositivos exigiriam filmes finos. Apesar de um enorme esforço de muitos pesquisadores usando diversos métodos para crescer filmes finos, apenas uma modesta constante dielétrica de 100-1.000 foi alcançada em filmes finos de titanato de estrôncio.

Em filmes finos, que podem ter apenas algumas camadas atômicas de espessura, a interface entre o filme e o substrato, ou o filme e a próxima camada, pode desempenhar um papel importante.

Bharat Jalan, autor sênior do artigo, professor e presidente da Shell no Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota, teorizou que essas interfaces "enterradas" podem estar mascarando a verdadeira constante dielétrica do titanato de estrôncio. Ao contabilizar cuidadosamente esse efeito de mascaramento, Jalan e seus alunos descobriram que a verdadeira constante dielétrica de seus filmes de titanato de estrôncio excede 25.000 – a mais alta já medida para esse material.

As descobertas de Jalan e seus alunos e colaboradores fornecem uma visão crítica sobre o papel das interfaces entre um isolante e um metal, encontradas em estruturas de capacitores onipresentes na tecnologia moderna, mesmo quando o metal e o isolante são derivados do mesmo material.

"Os semicondutores estão entre os materiais mais importantes usados ​​na tecnologia moderna", disse Jalan. “Embora se saiba muito sobre semicondutores convencionais, como silício e arsenieto de gálio, existem vários mistérios não resolvidos em torno de semicondutores de óxido, como o titanato de estrôncio”.

Jalan disse que com esta pesquisa eles resolveram um problema de longa data sobre as baixas constantes dielétricas em filmes de titanato de estrôncio através do controle de defeitos e interface.

"Esses resultados se baseiam em um histórico notável de sucesso para o método de crescimento de filme, conhecido como Epitaxia de Feixe Molecular híbrido, descoberto por Jalan", disse Richard James, um distinto professor da Universidade McKnight no Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica, e co-autor do estudo. -autor no estudo. "A qualidade dos filmes do grupo de Jalan é realmente excepcional."

O aluno que liderou o esforço de crescimento foi Zhifei Yang, estudante de pós-graduação na Escola de Física e Astronomia da Universidade de Minnesota supervisionado por Jalan.

"Foi bastante gratificante ver que uma interface com apenas algumas camadas atômicas de espessura pode ter um tremendo impacto no valor medido", disse Yang sobre a descoberta de altas constantes dielétricas. + Explorar mais

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