Zoštíhľovacia diéta na oxidy kovov - vlastnosti tenkých vrstiev materiálu závisia od počtu
Vlastnosti tenkých vrstiev materiálu závisia od počtu atómových vrstiev naukladaných na sebe
Napríklad pri hľadaní materiálov pre elektronické súčiastky sa budú môcť fyzici vydať novou cestou: Prvýkrát medzinárodný tím výskumníkov presne sledoval, ako sa menia fyzikálne vlastnosti látky - presnejšie oxidu kovu lantánu a niklu - keď je v dvojrozmernej namiesto trojrozmernej podobe je spracovaný.
V skutočnosti vrstva z dvoch vrstiev materiálu vykazuje pri ochladení na veľmi nízke teploty úplne iné elektronické a magnetické účinky ako vrstva zo štyroch vrstiev. Skutočnosť, že fyzikálne vlastnosti je možné teraz ovládať aj prostredníctvom dimenzie, otvára nové možnosti identifikácie látok, z ktorých by sa dali vyrobiť čipy budúcnosti, tvrdia vedci z oblasti „Science“.
Polovodičový priemysel dosahuje svoje limity
Polovodičový priemysel postupne dosahuje svoje hranice. Aj keď sa neustále zmenšujú elektronické súčiastky, vodivé dráhy a tranzistory sa pravdepodobne čoskoro zmenšia na atómovú veľkosť. Takéto drobné štruktúry sa ťažko dajú vyrobiť riadeným spôsobom obvyklými metódami. Keď sa používajú, ich elektrický odpor znamená, že vytvárajú toľko tepla, že by mali rýchlo stratiť svoj tvar. Éra polovodičovej elektroniky by sa preto v dohľadnom čase mohla skončiť.
Oxidy kovov potom môžu byť alternatívou. Pretože medzi nimi nie sú len materiály, ktoré sa odporúčajú ako skladovacie materiály kvôli ich magnetickým vlastnostiam - oxidy kovov zahŕňajú aj supravodiče, ktoré vedú elektrinu bez akéhokoľvek odporu.
Vlastnosti oxidov kovov na mieru
Medzinárodný tím vedený Alexandrom Borisom a Bernhardom Keimerom na Inštitúte Maxa Plancka pre výskum tuhých látok v Stuttgarte teraz ukazuje nový spôsob prispôsobenia vlastností oxidov kovov. Vedci, vrátane vedcov z Inštitútu pre výskum kovov Maxa Plancka, Inštitútu Paula Scherrera vo švajčiarskom Villigene a univerzity vo Fribourgu, tiež vo Švajčiarsku, prvýkrát pracovali presne na tom, aký priestorový rozmer materiálu má jeho fyzické správanie ovplyvnená.
„Obraciame tak cielenú manipulačnú premennú, ktorú fyzici doteraz mohli len nepresne ovládať,“ hovorí Keimer. Nepodarilo sa im ani odhaliť, aký efekt má dimenzia medzi všetkými ostatnými faktormi, ktoré sa podieľajú na elektronickom a magnetickom správaní. A tento efekt je obrovský, ako teraz zistili vedci.
Oxid lantanitý nikel študovaný
Vedci skúmali oxid kovu lantánu oxid nikelnatý LaNiO3, ktorý obsahuje okrem elektronicky neaktívnych atómov lantánu a kyslíka aj nikel. Táto kompozícia bola zvolená v neposlednom rade preto, lebo nikel so sebou prináša špeciálny typ elektrónov, ktoré sú svojimi magnetickými momentmi vždy dobré pre fyzikálne prekvapenia. Nie veľa z toho je však viditeľné na pevnom kúsku a to zahŕňa všetky vzorky, ktoré sú hrubšie ako štyri vrstvy materiálu, t. J. Merajú iba niekoľko nanometrov: V tejto forme je oxid lantaničitý-nikel jedným z kovových vodičov a magnetické momenty elektrónov sú zmiešané ako magnety na omieľanie tyčí. Takto to zostalo, keď fyzici ochladili vzorku štyroch vrstiev materiálu na takmer absolútnu nulu pri mínus 273 stupňoch Celzia.
2D vrstva sa stáva izolátorom a stáva sa antiferomagnetickou
"To sa úplne zmení vo vzorke vyrobenej z dvoch vrstiev materiálu," hovorí Keimer: Keď sa ochladí, stratil materiál svoju elektrickú vodivosť okolo mínus 100 stupňov. Tenká vrstva dáva elektróny do ťažkej situácie: Odpudzujú sa navzájom, ale už nemôžu uniknúť z cesty. Preto sa každý viac-menej zastaví na jednom atóme a tok elektriny prestane.
To však nebol jediný efekt zoštíhľovacej diéty pre oxid kovu. Keď fyzici ochladili tenkú vzorku ešte ďalej, na asi mínus 220 stupňov Celzia, materiál predpokladal magnetické usporiadanie, presnejšie ant feromagnetické: magnetické momenty elektrónov sú zarovnané antiparalelne, podobne ako tyčové magnety, ktoré sa striedajú s ich severom - a južné Poľsko sú vedľa seba.
Vedci pracujú s laserovou vaporizáciou
„Môžeme cielene zmeniť elektronické a magnetické vlastnosti materiálu pridaním dvoch vrstiev materiálu,“ hovorí Keimer. Prvou výzvou, ktorej fyzici čelili počas vyšetrovania, bola presná kontrola hrúbky vzorky.
"Pri bežných chemických procesoch vlastne neviete, čo z toho potom bude," hovorí Boris. Vedci sa preto uchýlili k fyzikálnej metóde: odparovanie laserového lúča alebo pulzná laserová depozícia (PLD). Vo vákuovej komore používajú laserové impulzy na odparenie oxidu nikelnatého lantánu v starostlivo dávkovaných množstvách. Oxid kovu sa nanáša na takmer dokonale rovný a čistý povrch nosného materiálu a pri správnej teplote vytvára úplne usporiadanú, rovnú vrstvu požadovanej hrúbky.
Ešte experimentálnejšie výzvy
Vedci ešte nezvládli experimentálne výzvy. Pretože vo vzorkách, ktoré sú hrubé iba niekoľko atómových vrstiev, je možné elektronické a magnetické charakteristiky určiť iba pomocou niekoľkých trikov. Napríklad na meranie vodivosti vzorky fyzici len ťažko pomôžu pripojiť káble na dve strany vzorky a zmerať tok prúdu.
„Akokoľvek tenké vrstvy môžu narásť, nosný materiál má vždy niekde atómovú hladinu, ktorú potom nájdeme aj vo vrstve, ktorá sa vylučuje parami,“ vysvetľuje Boris. Normálne meranie vodivosti by v takomto štádiu zlyhalo, pretože by prerušilo tok prúdu. Vedci preto na vzorke zamerali intenzívny infračervený lúč svetla dodávaný synchrotrónom ANKA v Karlsruhe. Svetelné vlny z tohto zdroja vibrujú iba jedným smerom. Ako sa tento smer oscilácie mení, keď sa lúč odráža na vzorke, prezradí vedcom niečo o mobilite elektrónov v materiáli, a teda o vodivosti.
Pomalé mióny odhaľujú magnetické poradie
Určenie antiferomagnetického poradia vo vrstve iba dvoch vrstiev je prinajmenšom rovnako zložité. Pretože sa magnetické momenty navzájom rušia presne, pri vonkajšej magnetizácii to nie je viditeľné. Vedci sa preto spoliehajú na mióny, nestabilné elementárne častice, ktoré sa vytvárajú v urýchľovačoch častíc. Sú podobné elektrónom, ale majú oveľa slabší magnetický moment.
„Míny sú preto vhodné ako citlivé sondy pre magnetický poriadok,“ hovorí Thomas Prokscha, výskumník z Inštitútu Paula Scherrera vo Villigene vo Švajčiarsku, kde existuje urýchľovač častíc, ktorý dodáva miony.
Problém s priestorom na mikročipoch bol čoskoro vyriešený?
Iba na Inštitúte Paula Scherrera môžu vedci regulovať rýchlosť, ktorou mióny zasiahnu vzorku. Je to nevyhnutné na to, aby ste s nimi mohli presne nahliadnuť do vrstiev dvoch alebo štyroch vrstiev materiálu. V opačnom prípade častice pretekajú oxidom nikelnatým lantanitým a uviaznu iba niekde v nosnom materiáli. Vedci z Inštitútu Paula Scherrera spolu so svojimi kolegami z Fribourgskej univerzity skúmali magnetický poriadok vo vrstvách oxidu nikelnatého lantánu. Mióny, s ktorými mierili na vzorky, sa rozpadajú vo vrstve oxidu kovu. Dráha ich fragmentov však fyzikom hovorí o orientácii magnetických momentov v materiáli.
„Podobným spôsobom teraz chceme preskúmať, ako dimenzia vzorky ovplyvňuje elektronické vlastnosti oxidov kovov, ktoré sa stávajú supravodivými pod určitou teplotou,“ hovorí Keimer. Týmto spôsobom môžu byť schopní dať oxidy kovov vlastnosti, ktoré tiež môžu vyriešiť narastajúci problém s priestorom na mikročipoch. (Science, 2011; doi: 10,1126/science.1202647)