Forscher lösen das Rätsel um die dielektrischen Eigenschaften eines einzigartigen Metalloxids

Ein von der University of Minnesota Twin Cities geleitetes Forschungsteam hat ein langjähriges Rätsel um Strontiumtitanat gelöst, ein ungewöhnliches Metalloxid, das ein Isolator, ein Halbleiter oder ein Metall sein kann. Die Forschung liefert Einblicke in zukünftige Anwendungen dieses Materials für elektronische Geräte und Datenspeicher.

Das Papier erscheint im Proceedings of the National Academy of Sciences.

Wenn ein Isolator wie Strontiumtitanat zwischen entgegengesetzt geladene Metallplatten gelegt wird, bewirkt das elektrische Feld zwischen den Platten, dass sich die negativ geladenen Elektronen und die positiven Kerne in Richtung des Feldes ausrichten. Dieser geordneten Anordnung von Elektronen und Kernen wird durch thermische Schwingungen Widerstand geleistet, und der Ordnungsgrad wird durch eine grundlegende Größe gemessen, die als Dielektrizitätskonstante bezeichnet wird. Bei niedriger Temperatur, wo die thermischen Schwingungen schwach sind, ist die Dielektrizitätskonstante größer.

In Halbleitern spielt die Dielektrizitätskonstante eine wichtige Rolle, indem sie für eine wirksame „Abschirmung“ oder einen wirksamen Schutz der leitenden Elektronen vor anderen geladenen Defekten im Material sorgt. Für Anwendungen in elektronischen Geräten ist es entscheidend, eine große Dielektrizitätskonstante zu haben.

Hochqualitative, zentimetergroße Proben von Strontiumtitanat weisen eine gemessene Dielektrizitätskonstante bei niedriger Temperatur von 22.000 auf, was ziemlich groß und für Anwendungen ermutigend ist. Aber die meisten Anwendungen in Computern und anderen Geräten würden dünne Schichten erfordern. Trotz enormer Anstrengungen vieler Forscher, die verschiedene Methoden zum Züchten von Dünnfilmen verwenden, wurde in Dünnfilmen aus Strontiumtitanat nur eine bescheidene Dielektrizitätskonstante von 100–1.000 erreicht.

Bei dünnen Schichten, die nur wenige Atomlagen dick sein können, kann die Grenzfläche zwischen Schicht und Substrat bzw. Schicht und darüberliegender Schicht eine wichtige Rolle spielen.

Bharat Jalan, leitender Autor des Artikels, Professor und Shell-Lehrstuhlinhaber am Department of Chemical Engineering and Materials Science der University of Minnesota, stellte die Theorie auf, dass diese „vergrabenen“ Grenzflächen die wahre Dielektrizitätskonstante von Strontiumtitanat maskieren könnten. Durch sorgfältige Berücksichtigung dieses Maskierungseffekts entdeckten Jalan und seine Studenten, dass die wahre Dielektrizitätskonstante ihrer Strontiumtitanat-Filme 25.000 übersteigt – die höchste, die jemals für dieses Material gemessen wurde.

Die Ergebnisse von Jalan und seinen Studenten und Mitarbeitern liefern einen kritischen Einblick in die Rolle von Grenzflächen zwischen einem Isolator und einem Metall, wie sie in Kondensatorstrukturen zu finden sind, die in der modernen Technologie allgegenwärtig sind, selbst wenn sowohl das Metall als auch der Isolator aus demselben Material stammen.

„Halbleiter gehören zu den wichtigsten Materialien, die in der modernen Technologie verwendet werden“, sagte Jalan. „Während über herkömmliche Halbleiter wie Silizium und Galliumarsenid viel bekannt ist, gibt es mehrere ungelöste Rätsel um Oxidhalbleiter wie Strontiumtitanat.“

Jalan sagte, dass sie mit dieser Forschung ein seit langem bestehendes Problem bezüglich der niedrigen Dielektrizitätskonstanten in Strontiumtitanatfilmen durch Defekt- und Grenzflächenkontrolle gelöst haben.

„Diese Ergebnisse bauen auf einer bemerkenswerten Erfolgsbilanz der von Jalan entdeckten Methode des Filmwachstums auf, die als hybride Molekularstrahlepitaxie bekannt ist“, sagte Richard James, ein Distinguished McKnight University Professor in der Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik und Mechanik, und ein Co -Autor in der Studie. „Die Qualität der Filme aus Jalans Gruppe ist wirklich außergewöhnlich.“

Der Student, der die Wachstumsbemühungen leitete, war Zhifei Yang, Doktorand an der School of Physics and Astronomy an der University of Minnesota, der von Jalan betreut wurde.

„Es war sehr lohnend zu sehen, dass eine nur wenige Atomlagen dicke Grenzfläche einen enormen Einfluss auf den Messwert haben kann“, sagte Yang über die Entdeckung hoher Dielektrizitätskonstanten.