Electronic and magnetic properties of interfaces in polar metal oxide heterostructure devices

Kan två isolatorer bli metalliskt ledande genom att beröra varandra? Skulle samma material kunna styras från ledande till isolerande tillstånd med hjälp av ett elektriskt fält och att tillståndet bevaras? För vissa materialkombinationer uppstår just dessa fenomen och egenskaper i gränsytorna mellan en ny grupp av oxidmaterial i tunnfilmsutförande. Vid låga temperaturer blir vissa gränsytor till och med supraledande. Dessa gränsytor utgör ett spännande exempel bland en hel ämnesgrupp av speciella metalloxider. Materialen är baserade på en gemensam kristallstruktur som kallas för perovskiter. Ämneskategorin har gett oss nya fenomen, såsom högtemperatursupraledning (HTS), material vars brytningsindex kan styras (ferroelektriska) och ämnen vars elektriska resistans kan förändras kraftigt med magnetfält (t ex manganiter). De sistnämnda ser en kommersiell användning (minnen och läshuvuden), och ett flertal tillämpningar av HTS börjar även skönjas. Vidare finns det ett stort intresse för sk multiferroiska material, där magnetiska egenskaper kan styras elektriskt och vice versa. Det som gör ämneskategorin så spännande forskningsmässigt är att det finns stora möjligheter till att enkelt konfigurera om "spelplanen" genom att ändra frihetsgraderna för hur t ex laddningar, laddningarnas spin, samt atomgittret kan röra sig i ett kristallint material. Beroende på grundstrukturen, så kan tryck, dopning (t ex syrgasinnehåll), magnetiska och elektriska fält lätt "välta på spelplanen" och ge utrymme för nya fenomen där man kan flytta sig till välordnade laddningstillstånd, magnetisk ordnade tillstånd, isolerande eller metalliska tillstånd. Detta ger en enorm frihet till att designa material med unika egenskaper. Idag kan vi bygga upp och karakterisera kombinationer av olika oxidiska material i tunna filmer och ta fram nya kretsar och sensorer. Det blir också viktigare att kontrollera tillväxten och kristalliniteten på atomnivå då de tunna skikten skall syntetiseras. För detta ändamål har vi byggt upp ett tunnfilmssystem med instrumentation för att i realtid kunna se hur deponerade atomer i varje atomlager kristalliseras på en yta och hur de rör sig till sina respektive positioner i kristallen under högt syrgastryck. Vi kan på så sätt växa enskilda atomlager med samma eller annan komposition. "Supergitter" kan byggas upp med helt nya egenskaper som inte kan syntetiseras kemiskt på annat sätt eller med tidigare teknologi. Under det nuvarande VR-projektet har vi arbetat med att skapa, studera och förstå de intressanta egenskaper (se ingressen) som uppstår i kristallina gränsytor mellan olika polära metalloxider. Dessa gränsytor är ett hett forskningsfält, och vår forskning har bidragit till en annorlunda tolkning och förståelse av materialen, vilket har uppmärksammats internationellt. Med hjälp av mikrostruktur-analys, elektrisk och magnetisk karakterisering, försöker vi förstå de grundläggande mekanismerna bakom fenomenen och egenskaperna. Vi tillverkar även supraledande oxidmaterial och sensorer för flera andra projekt som kan leda till medicinska instrument till samhällelig tjänst. Vi har också utvecklat nya metoder för att tillverka nanostrukturer i dessa gränsytor. Vi kommer att använda dessa för att studera både mer grundläggande kvantfenomen och undersöka nya elektroniska kretsar. Vi tänker också arbeta vidare med att förstå vad som orsakar magnetisk ordning mellan magnetiska störatomer via den ledande gränsytan. Dessa effekter är spännande då de kan användas för att styra magnetiska egenskaper elektriskt och vice versa.

Participants

Dag Winkler (contact)

Professor vid Chalmers, Microtechnology and Nanoscience (MC2)

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding Chalmers participation during 2014–2016

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

Nanoscience and Nanotechnology

Areas of Advance

Nanofabrication Laboratory

Infrastructure

More information

Latest update

2015-12-10