Las propiedades magnéticas, conductoras y ópticas de los óxidos complejos los convierten en la clave para los componentes de la electrónica de próxima generación utilizada para el almacenamiento de datos, la detección, las tecnologías de energía, los dispositivos biomédicos y muchas otras aplicaciones.
El apilamiento de capas de monocristales de óxido complejo ultradelgado, aquellas compuestas de átomos dispuestos geométricamente, permite a los investigadores crear nuevas estructuras con propiedades híbridas y funciones múltiples. Ahora, utilizando una nueva plataforma desarrollada por ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison yEn el Instituto de Tecnología de Massachusetts, los investigadores podrán fabricar estos materiales de cristal apilados en combinaciones prácticamente ilimitadas.
El equipo publicó detalles de su avance el 5 de febrero en la revista Naturaleza .
La epitaxia es el proceso para depositar un material sobre otro de manera ordenada. El nuevo método de estratificación de los investigadores supera un desafío importante en la epitaxia convencional: que cada nueva capa compleja de óxido debe ser estrechamente compatible con la estructura atómica delcapa subyacente. Es como apilar bloques de Lego: los agujeros en la parte inferior de un bloque deben alinearse con los puntos en relieve sobre el otro. Si hay una falta de coincidencia, los bloques no encajarán correctamente.
"La ventaja del método convencional es que puedes cultivar un solo cristal perfecto sobre un sustrato, pero tienes una limitación", dice Chang-Beom Eom, profesor de ciencia de materiales e ingeniería y física de UW-Madison."Cuando cultivas el siguiente material, tu estructura debe ser la misma y tu espacio atómico debe ser similar. Esa es una restricción, y más allá de esa restricción, no crece bien".
Hace un par de años, un equipo de investigadores del MIT desarrolló un enfoque alternativo. Dirigido por Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, el grupo agregó una capa intermedia ultrafina de un material de carbono único llamadografeno, luego usó epitaxia para hacer crecer una capa delgada de material semiconductor encima de eso. Solo una molécula de grosor, el grafeno actúa como un respaldo desprendible debido a su débil unión. Los investigadores pudieron eliminar la capa semiconductora del grafeno. Lo que quedó fue unlámina ultrafina independiente de material semiconductor.
Eom, un experto en materiales de óxido complejos, dice que son intrigantes porque tienen una amplia gama de propiedades ajustables, incluidas múltiples propiedades en un material, que muchos otros materiales no tienen. Por lo tanto, tenía sentido aplicar la cáscaratécnica para óxidos complejos, que son mucho más difíciles de cultivar e integrar.
"Si tiene este tipo de crecimiento y eliminación de cortar y pegar, combinado con la diferente funcionalidad de juntar materiales de óxido de cristal único, tiene una gran posibilidad de hacer dispositivos y hacer ciencia", dice Eom, quien se conectócon ingenieros mecánicos en el MIT durante un año sabático en 2014.
Los grupos de investigación de Eom y Kim combinaron su experiencia para crear capas de monocristales de óxido complejo ultradelgado, nuevamente utilizando grafeno como intermediario desprendible. Más importante, sin embargo, conquistaron un obstáculo previamente insuperable: la diferencia en la estructura cristalina.- en la integración de diferentes materiales complejos de óxido
"Los materiales magnéticos tienen una estructura cristalina, mientras que los materiales piezoeléctricos tienen otra", dice Eom. "Así que no puedes cultivarlos uno encima del otro. Cuando intentas cultivarlos, simplemente se vuelve desordenado. Ahora podemos cultivar las capaspor separado, despegarlos e integrarlos "
En su investigación, el equipo demostró la eficacia de la técnica utilizando materiales como la perovskita, la espinela y el granate, entre otros. También pueden apilar materiales de óxido complejos simples y semiconductores.
"Esto abre la posibilidad para el estudio de una nueva ciencia, que nunca fue posible en el pasado porque no pudimos hacerla crecer", dice Eom. "Apilar esto era imposible, pero ahora es posible imaginar infinitas combinaciones demateriales. Ahora podemos juntarlos ".
El avance también abre puertas a nuevos materiales con funcionalidades que impulsan tecnologías futuras.
"Este avance, que hubiera sido imposible utilizando técnicas convencionales de crecimiento de película delgada, despeja el camino para posibilidades casi ilimitadas en el diseño de materiales", dice Evan Runnerstrom, gerente de programa en diseño de materiales en la Oficina de Investigación del Ejército, que financió parte del"La capacidad de crear interfaces perfectas mientras se combinan clases dispares de materiales complejos puede permitir comportamientos completamente nuevos y propiedades ajustables, que podrían aprovecharse para nuevas capacidades del Ejército en comunicaciones, sensores reconfigurables, electrónica de baja potencia y ciencia de la información cuántica".
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