Dieta de slăbit pentru oxizi metalici - proprietățile straturilor subțiri de material depind de numărul de
Proprietățile straturilor subțiri de material depind de numărul de straturi atomice stivuite unul peste altul
În căutarea de materiale pentru componente electronice, de exemplu, fizicienii vor putea urmări în viitor o nouă pistă: Pentru prima dată, o echipă internațională de cercetători a observat cu exactitate cum se schimbă proprietățile fizice ale unei substanțe - mai precis oxidul de metal lantan oxid de nichel - atunci când este într-o formă bidimensională, nu tridimensională. este procesat.
De fapt, un strat format din două straturi de material prezintă efecte electronice și magnetice complet diferite de un strat format din patru straturi atunci când se răcește la temperaturi foarte scăzute. Faptul că caracteristicile fizice pot fi acum controlate și prin intermediul dimensiunii deschide noi posibilități de identificare a substanțelor din care ar putea fi fabricate chipsurile viitorului, potrivit cercetătorilor din „Știința”.
Industria semiconductorilor își atinge limitele
Industria semiconductorilor își atinge treptat limitele. În timp ce continuă să micșoreze componentele electronice, pistele conductoare și tranzistoarele se vor micșora în curând la dimensiunea atomică. Astfel de structuri minuscule cu greu pot fi produse într-un mod controlat cu metodele obișnuite. Când sunt în uz, rezistența lor electrică înseamnă că generează atât de multă căldură încât ar trebui să-și piardă forma rapid. Prin urmare, era electronicii semiconductoarelor ar putea ajunge la un sfârșit în viitorul previzibil.
Oxizii metalici pot fi apoi o alternativă. Deoarece printre acestea nu există numai materiale recomandate ca materiale de depozitare datorită proprietăților lor magnetice - oxizii metalici includ și supraconductori care conduc electricitatea fără nicio rezistență.
Proprietăți personalizate ale oxizilor metalici
O echipă internațională condusă de Alexander Boris și Bernhard Keimer de la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Statelor Solide din Stuttgart arată acum un nou mod de a adapta proprietățile oxizilor metalici. Cercetătorii, inclusiv oamenii de știință de la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Metalelor, de la Institutul Paul Scherrer din Villigen, Elveția și de la Universitatea din Fribourg, de asemenea, în Elveția, au descoperit pentru prima dată exact modul în care dimensiunea spațială a unui material este comportamentul său fizic influențat.
„Prin urmare, transformăm în mod specific o variabilă manipulată pe care fizicienii o puteau controla anterior în mod imprecis”, spune Keimer. Nici ei nu au reușit să descopere ce efect are dimensiunea dintre toți ceilalți factori implicați în comportamentul electronic și magnetic. Și efectul este imens, așa cum au descoperit cercetătorii acum.
Oxid de nichel de lantan studiat
Oamenii de știință au examinat oxidul de metal lantan oxid de nichel LaNiO3, care conține nichel în plus față de lantanul inactiv electronic și atomii de oxigen. Această compoziție a fost aleasă nu în ultimul rând, deoarece nichelul aduce cu sine un tip special de electroni care, cu momentele lor magnetice, sunt întotdeauna bune pentru surprize fizice. Cu toate acestea, nu se poate observa mare lucru dintr-o piesă solidă, care include toate probele care sunt mai groase decât patru straturi de material, adică și doar câțiva nanometri: În această formă, oxidul de nichel de lantan este unul dintre conductorii metalici, iar momentele magnetice ale electronilor se învârt în jur ca niște magneți care se prăbușesc. A rămas așa când fizicienii au răcit un eșantion de patru straturi de material până la zero aproape absolut la minus 273 grade Celsius.
Un strat 2D devine izolator și devine antiferromagnetic
„Asta se schimbă complet într-un eșantion format din două straturi de material”, spune Keimer: Când s-a răcit, materialul și-a pierdut conductivitatea electrică la aproximativ minus 100 de grade. Stratul subțire pune electronii într-o situație dificilă: se resping reciproc, dar nu mai pot ieși din cale. Prin urmare, fiecare se oprește mai mult sau mai puțin la un atom și fluxul de electricitate încetează.
Dar acesta nu a fost singurul efect al dietei de slăbit pentru oxidul metalic. Când fizicienii au răcit proba mai subțire și mai mult, până la minus 220 de grade Celsius, materialul a preluat o ordine magnetică, mai precis una anti-feromagnetică: momentele magnetice ale electronilor sunt aliniate antiparalel, la fel ca magneții cu bare care alternează cu - și sudul Poloniei sunt unul lângă celălalt.
Cercetătorii lucrează cu vaporizarea cu laser
„Putem modifica proprietățile electronice și magnetice ale materialului într-o manieră direcționată prin adăugarea a două straturi de material”, spune Keimer. Prima provocare cu care s-au confruntat fizicienii în timpul investigației a fost tocmai controlul grosimii eșantionului.
„Cu procesele chimice obișnuite, nu știi cu adevărat ce va ieși după aceea”, spune Boris. Prin urmare, cercetătorii au recurs la o metodă fizică: evaporarea fasciculului laser sau depunerea cu laser pulsată (PLD). Folosesc impulsuri laser pentru a vaporiza oxidul de nichel de lantan în cantități dozate cu atenție într-o cameră de vid. Oxidul metalic se depune pe o suprafață aproape perfect plană și curată a materialului purtător și la temperatura potrivită formează un strat plat complet ordonat, cu grosimea dorită.
Chiar și mai multe provocări experimentale
Cercetătorii nu stăpâniseră încă provocările experimentale. Deoarece în eșantioanele care au o grosime de doar câteva straturi atomice, caracteristicile electronice și magnetice pot fi determinate doar cu câteva trucuri. De exemplu, pentru a măsura conductivitatea eșantionului, cu greu îi ajută pe fizicieni să conecteze cablurile la cele două părți ale eșantionului și să măsoare fluxul de curent.
„Oricât de precis ar fi putut crește straturile subțiri, materialul purtător are întotdeauna un nivel atomic undeva, care poate fi apoi găsit și în stratul depus de vapori”, explică Boris. O măsurare normală a conductivității ar eșua într-o astfel de etapă, deoarece întrerupe fluxul de curent. Prin urmare, cercetătorii au vizat un fascicul intens de lumină în infraroșu furnizat de sincrotronul ANKA din Karlsruhe pe eșantion. Undele de lumină de la această sursă vibrează doar într-o singură direcție. Cum se schimbă această direcție de oscilație atunci când fasciculul este reflectat de pe eșantion, dezvăluie cercetătorilor ceva despre mobilitatea electronilor din material și deci despre conductivitate.
Muonii încet dezvăluie ordinea magnetică
Determinarea unei ordini antiferomagnetice într-un strat de doar două straturi este cel puțin la fel de dificilă. Deoarece momentele magnetice se anulează reciproc exact, nu devine vizibilă într-o magnetizare externă. Oamenii de știință se bazează, așadar, pe muoni, particule elementare instabile care sunt generate în acceleratorii de particule. Ele sunt similare cu electronii, dar au un moment magnetic mult mai slab.
„Muonii sunt, prin urmare, potriviți ca sonde sensibile pentru ordinea magnetică”, spune Thomas Prokscha, cercetător la Institutul Paul Scherrer din Villigen, Elveția, unde există un accelerator de particule care furnizează muoni.
Problema spațiului pe microcipuri a fost rezolvată în curând?
Numai la Institutul Paul Scherrer cercetătorii pot regla viteza cu care muonii au lovit eșantionul. Acest lucru este necesar pentru a putea privi cu precizie straturile a două sau patru straturi de material cu ele. În caz contrar, particulele trec prin oxidul de nichel de lantan și se blochează undeva în materialul purtător. Împreună cu colegii lor de la Universitatea din Fribourg, oamenii de știință de la Institutul Paul Scherrer au cercetat ordinea magnetică în straturile de oxid de nichel de lantan. Muonii cu care au vizat probele se descompun în stratul de oxid de metal. Traiectoria fragmentelor lor le spune însă fizicienilor orientarea momentelor magnetice din material.
"Într-un mod similar, dorim acum să investigăm modul în care dimensiunea eșantionului influențează proprietățile electronice ale oxizilor metalici care devin supraconductori sub o anumită temperatură", spune Keimer. În acest fel, ei pot fi capabili să ofere proprietăți de oxid de metal care pot rezolva, de asemenea, problema spațiului în creștere pe microcipuri. (Știință, 2011; doi: 10.1126/science.1202647)