Ученые научились скручивать оксидные слои с атомарной точностью для создания электроники будущего

Ученые научились скручивать и соединять крупные оксидные слои с атомарной точностью, открывая новые перспективы для настраиваемой электроники. Фото: Jie Sun

Исследователи разработали метод создания скрученных оксидных материалов на значительно больших площадях, сохраняя при этом точный контроль над углом поворота слоев. Это достижение может приблизить твистронику к практическому применению в электронных устройствах, предоставив ученым контроль как над масштабом, так и над внутренней структурой материалов.

Твистроника изучает, как поворот одного слоя двумерного (2D) материала относительно другого меняет его электронные свойства. До сих пор большая часть исследований в этой области была сосредоточена на чрезвычайно тонких материалах, удерживаемых относительно слабыми силами.

«Область твистроники развивалась с использованием 2D-материалов, связанных слабыми силами Ван-дер-Ваальса, — говорит Руйцзюань Сюй, автор статьи и доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина. — Наша работа демонстрирует, что можно использовать слои оксидных материалов, соединенных прочными химическими связями, точно контролируя угол скручивания между кристаллическими оксидными мембранами».

«Прочная межслойная связь, обнаруженная нами между оксидными слоями, предполагает, что могут существовать совершенно новые межфазные явления для изучения, — добавляет Сюй. — Мы продемонстрировали способность контролировать многие характеристики материалов, включая фазовую структуру и конфигурацию доменов, что открывает новые пути для создания материалов и устройств под конкретные применения».

Создание крупных скрученных оксидных мембран

Для демонстрации метода команда создала кристаллические мембраны из ниобата натрия (NaNbO₃). С помощью фотолитографии они нанесли визуальные реперные метки по краям каждой мембраны.

Затем исследователи подняли одну мембрану NaNbO₃ и разместили ее поверх второй. Наблюдая за выравниванием реперных меток в процессе сборки, они смогли точно задать угол поворота между двумя слоями.

После достижения нужной ориентации команда применила процесс отжига, специально разработанный для этого материала. Эта обработка сформировала прочные химические связи между сложенными мембранами.

«Масштаб имеет значение для устройств, — говорит Сюй. — Поскольку эти кристаллические мембраны можно изготавливать на больших площадях и переносить на различные подложки, наш подход открывает практический путь к созданию оксидной электроники с управляемым скручиванием».

Прочные связи изменяют атомную решетку

Ученые использовали синхротронную рентгеновскую дифракцию для изучения границы раздела двух оксидных слоев. Измерения показали, что прочная связь между мембранами не просто удерживает их вместе.

«Мы обнаружили, что связи между двумя слоями настолько сильны, что искажают атомную структуру материала, создавая постепенный поворот атомной решетки на границе раздела, — говорит Сюй. — Мы также обнаружили изменения фазовой структуры материала. Предстоит выяснить, как это повлияет на свойства материала, но мы это изучаем».

Эти структурные изменения могут в конечном итоге повлиять на электронные и физические свойства материала, хотя для определения их полного эффекта потребуются дальнейшие исследования.

Более широкая платформа для оксидной электроники

В эксперименте NaNbO₃ использовался в качестве модельной системы, но исследователи утверждают, что тот же метод может работать и с другими сложными оксидными материалами.

«Наша работа демонстрирует технику создания крупномасштабных оксидных твистронических материалов с контролируемыми углами скручивания и прочной химической связью между слоями, — говорит Сюй. — Это захватывающее время для оксидной твистроники, открывающее новые возможности для управления функциональностью сложных оксидов с помощью скручивания».

Статья «Детерминированное создание крупномасштабных высококристаллических оксидных муаровых сверхрешеток» опубликована в журнале ACS Nano.

Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда, Американского химического общества, Исследовательского управления армии США и Министерства энергетики США.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом штата Северная Каролина. Оригинал написан Мэттом Шипманом.