水晶堆叠过程为推动未来技术的新材料开辟了“几乎无限的可能性”

艺术家对堆叠超薄氧化氧化物单晶层的印象。

复杂氧化物的磁性，导电和光学性质使得其用于数据存储，传感，能量技术，生物医学设备和许多其他应用的下一代电子设备的组件。

堆叠超薄复合氧化物单晶层 - 由几何排列原子组成的那些 - 允许研究人员用混合性能和多种功能创造新的结构。现在，使用由威斯康星大学 - 麦迪逊和马萨诸塞州理工学院工程师开发的新平台，研究人员将能够以几乎无限的组合制作这些堆叠晶体材料。

该团队今天（2月5日）在本质上发布了其提前的详细信息。

“这开辟了研究新科学的可能性，这在过去从未如此可能，因为我们无法长大。堆叠这些是不可能的，但现在有可能想象无限的材料组合。“ - chang-beom eom

外延是以有序的方式在另一个材料上沉积一种材料的过程。研究人员的新分层方法克服了常规外延的主要挑战 - 即每个新的复合氧化物层必须与下层的原子结构密切地相容。它有点像堆叠乐高块：一个块底部的孔必须与另一个凸起的凸起点对齐。如果存在不匹配，则块将不会适合在一起。

“传统方法的优点是您可以在基板顶部种植完美的单晶，但是您有限制，”材料科学与工程和物理学教授Chang-Beom Eom表示。“当您长大后一个材料时，您的结构必须相同，您的原子间距必须相似。这是一个约束，超越该限制，它不会变得不好。“

几年前，一个麻省理工学院研究人员团队制定了替代方法。由MIT机械工程和材料科学与工程副教授Jeehwan Kim LED，该组加入了一种称为石墨烯的独特碳材料的超薄中间层，然后使用外延以在其上生长薄的半导体材料层。只有一个分子厚，石墨烯由于其弱粘接而像剥离背衬一样。研究人员可以从石墨烯上除去半导体层。剩下的是一个独立的超薄片材的半导体材料。

“使用常规薄膜生长技术将不可能是不可能的，对材料设计几乎无限的可能性清除了近乎无限的可能性。” - evan赛跑者特罗姆

EOM是复杂氧化物材料的专家，说它们是有趣的，因为它们具有各种可调性 - 包括一种材料中的多种性质 - 许多其他材料没有。因此，将剥离技术应用于复杂的氧化物，这是有意义的，这更具挑战性，以增长和整合。

“如果您拥有这种切割粘贴的生长和拆卸，请与将单晶氧化物材料放在一起的不同功能相结合，您可以制造设备和做科学的可能性巨大的可能性，”eom表示，与机械相连在2014年在休假期间麻省理工学院的工程师。

EOM和KIM研究组将其专业知识结合在一起使用石墨烯作为剥离中间体来创造超薄氧化氧化物单晶层。然而，更重要的是，他们征服了以前的难以克服的障碍 - 晶体结构的差异 - 整合不同的复合氧化物材料。

“磁性材料具有一个晶体结构，而压电材料具有另一个，”EOM说。“所以你不能在彼此之上种植它们。当你尝试成长时，它变得凌乱。现在我们可以单独种植层，剥离它们，并整合它们。“

在其研究中，该团队展示了使用钙钛矿，尖晶石和石榴石等材料的技术的功效。它们还可以堆叠单个复合氧化物材料和半导体。

“这开辟了研究新科学的可能性，这在过去从未成为可能，因为我们无法发展它，”EOM说。“堆叠这些是不可能的，但现在有可能想象无限的材料组合。现在我们可以把它们放在一起。“

该预付款还开启了具有推动未来技术的功能的新材料。

“这将不可能使用传统的薄膜生长技术来消除材料设计中几乎无限的可能性的进程，”陆军研究办公室材料设计的节目经理Evan Runnerstrom说，资助部分研究。“在耦合各种复杂材料的同时创建完美接口的能力可以实现全新的行为和可调性，这可能会在通信，可重新配置传感器，低功耗电子设备和量子信息科学中杠杆杠杆。”

参考：“单晶复合氧化物膜的异质整合”由Hyun S. Kum，Hyungwoo Lee，Sungkyu Kim，Shane Lingemann，Wei Kong，Kuou Qiao，Peng Chen，Julian Irwin，6月赫克·李，Saien Xie，Shruti Subramanian，Jaewoo沉，相勋裴，崔Chanyeol，路易吉Ranno，Seungju徐，李桑戈，杰克逊鲍尔，李华山，Kyusang利，乔舒亚A.罗宾逊，卡罗琳A.罗斯，达雷尔G. Schlom，马克S. Rzchowski，去设Beom Eom和Jeehwan Kim，2月5日，自然.DOI：
10.1038 / s41586-020-1939-z

该研究得到了国防高级研究项目（027049-00001）和陆军研究办公室（W911NF-17-1-0462）的支持。