Filme Fino de Óxido Complexo

Prévia do material em texto

1/4
Explorando o “lado escuro” de um filme fino de óxido
complexo de cristal único
A análise revela detalhes nunca antes vistos sobre um tipo de filme fino que está sendo explorado para
microeletrônica avançada.
Pesquisa de uma equipe liderada por cientistas nos EUA. O Laboratório Nacional Argonne (DOE)
oferece uma nova visão nanoscópica de óxidos complexos, que são promissores para microeletrônica
avançada.
Os óxidos complexos são materiais multifuncionais que podem eventualmente levar a componentes de
memória eletrônica avançados e eficientes em termos energéticos e dispositivos de computação
quântica. Geralmente, esses materiais são produzidos camada por camada em um substrato
atomicamente combinado, um processo conhecido como crescimento epitaxial.
2/4
Os cientistas da Argonne analisaram as propriedades ferroelétricas
locais das camadas atômicas inferiores do complexo PZT desapegadas
do substrato epitaxial. Crédito da imagem: Laboratório Nacional de
Argonne.
Para usar óxidos complexos em eletrônicos, eles precisam ser produzidos em silício – uma tarefa
impossível para as técnicas de crescimento epiaxial existentes, já que as estruturas atômicas desses
dois materiais não correspondem. Uma solução alternativa possível é cultivar os óxidos complexos em
outro lugar e depois transferir o filme para outro substrato. No entanto, surge uma questão-chave: as
propriedades locais de um filme fino de óxido complexo permanecerão intactas se você a levantar de um
substrato e depositá-lo em outro?
A nova pesquisa revela insights sobre óxidos complexos independentes que poderiam eventualmente
criar um campo de pesquisa inteiramente novo: microeletrônica de óxido complexo. O trabalho é
detalhado em um artigo recentemente publicado na revista Advanced Materials.
Usando a microscopia de sonda de varredura, a equipe estudou titanato de zircônio de chumbo (PZT),
um tipo de filme fino ferroelétrico de óxido de complexo de cristal único. Esses filmes de cristal único têm
propriedades ideais para microeletrônica – são altamente polarizados, enduráveis e comutáveis
rapidamente, tornando-os adequados para futuros chips de memória de acesso aleatório ferroelétrico,
por exemplo.
O crescimento desses filmes finos requer temperaturas de cerca de 700 oC (1292oF), o que deteriora as
propriedades da camada interfacial se for usado diretamente em silício. Assim, os pesquisadores
cultivaram o PZT em um substrato mais remendado – uma base de titanato de estrôntium (STO) com
uma “camada sacrificial” de manganito de estetrótium (LSMO) ensanduichada entre eles. Para transferir
o filme fino PZT para outro substrato, os pesquisadores quebraram as ligações que o uniram ao LSMO.
“O PZT cresce lindamente no LSMO”, disse Saidur Rahman Bakaul, cientista assistente de materiais da
Argonne, que liderou o estudo. “Queríamos ver o que acontece se cortávamos essa interface.”
Depois de transformar o PZT em um filme independente, a equipe de pesquisa virou o filme e
gentilmente o redepositou em um substrato STO-LSMO idêntico. Isso permitiu uma primeira visão da
parte inferior destacada do PZT.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201907036
3/4
“É como olhar para o outro lado da lua, que você normalmente não vê”, disse Bakaul.
A equipe usou microscopia de força eletrostática com sondas de 20 nanômetros-raios para medir as
propriedades ferroelétricas locais do material. Sua análise mostrou que as propriedades estáticas locais
da superfície inferior da PZT autônoma foram bastante semelhantes em comparação com as da
superfície superior. Esta descoberta, disse Bakaul, é muito encorajadora para futuras microeletrônicas
complexas de óxidos, porque confirma que a superfície interfacial do filme PZT transferido é uma
camada ferroelétrica de alta qualidade. Isso significa que a técnica de transferência deve ser capaz de
combinar os melhores materiais de diferentes mundos, como PZT (ferroelétrico) e silício
(semicondutores). Até agora, nenhuma técnica de crescimento direto conseguiu isso sem danificar a
superfície interfacial.
Usando imagens de microscopia de força de piezoresponse, os cientistas descobriram que a velocidade
da parede do domínio ferroelétrico da camada isolada – uma medida da paisagem de energia
eletrostática de óxidos complexos – era quase 1.000 vezes mais lenta do que os filmes PZT fortemente
ligados.
Para descobrir por que, a equipe examinou pela primeira vez as camadas atômicas na superfície inferior
do filme PZT com microscopia de força atômica, que revelou anomalias na superfície. Para um olhar
ainda mais atento, eles recorreram ao Centro de Materiais em Nanoescala e Fonte Avançada de
Argonne, ambas as Instalações do DOE Office of Science User, para usar sua nanossonda de raios-X
duro para ver as inclinações em planos atômicos, revelando ondulações nunca antes vistas.
As ondulações, disse Bakaul, sobem à altura de apenas um milionésimo de diâmetro de uma cabeça de
alfinete, mas ainda podem criar um forte campo elétrico que impede que a parede do domínio se mova,
revelou a análise teórica. Esta afirmação foi apoiada com medições de um microscópio de capacitância
de varredura.
A presença de tais ondulações estruturais em óxidos complexos, que costumavam ser conhecidos como
cerâmica não dobeniz, é uma descoberta científica nova e um futuro playground para explorar
fenômenos físicos induzidos por gradiente de forte tensão, como efeitos flexoelétricos. No entanto, em
dispositivos microeletrônicos, essas pequenas ondulações podem induzir a variabilidade do dispositivo
para dispositivo.
O trabalho, que foi apoiado pelo DOE Escritório de Ciências Básicas de Energia, oferece um nível único
e importante de detalhes sobre as propriedades de filmes finos de óxido complexo autônomo.
“Nosso estudo mostra que esse material está pronto para futuras aplicações microeletrônicas”, disse
Bakaul, “mas exigirá mais pesquisas sobre maneiras de evitar essas ondulações”.
Originalmente publicado pelo Laboratório Argonne
ASN WeeklyTradução
Inscreva-se para receber nossa newsletter semanal e receba as últimas notícias científicas diretamente
na sua caixa de entrada.
https://www.anl.gov/article/exploring-the-dark-side-of-a-singlecrystal-complex-oxide-thin-film
4/4
ASN WeeklyTradução
Inscreva-se no nosso boletim informativo semanal e receba as últimas notícias científicas.