Elektroniska och magnetiska egenskaper i gränsytor hos polära metalloxider för ny elektronik
Forskningsprojekt , 2011 – 2013

Går det att göra två isolatorer metalliskt ledande genom att lägga dem kloss an emot varandra? Skulle samma material kunna styras från metalliskt 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), medan de två första nu börjar hitta tillämpningar. 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 diffunderar 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 LaAlO3 och SrTiO3. Dessa gränsytor är ett hett forskningsfält, och vår forskning har bidragit till en annorlunda tolkning och förståelse av materialen, vilket har uppmärksammats internationellt. Under de första 3 åren inom VR-projektet har vi lyckats syntetisera isolerande, ferroelektriska, ferromagnetiska, och multiferroiska perovskiter atomlager för atomlager. Dessa materialsystem använder vi för att i) tillverka kretsar med gigantiska fälteffekter och med minnes- och sensoregenskaper, ii) ?rita? nanometer breda elektriska mönster med svep-probmikroskop i ferroelektriska material, iii) med mikroanalys och transportegenskaper försöka 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 vill nu införa ytterligare komplexitet genom att se hur enstaka atomlager med metalloxider av annan polaritet i gränsytan skulle kunna dopa densamma, undersöka hur tunna magnetiska eller ferroelektriska filmer kan störa det metalliska gränsskiktet. Skulle t ex ett enstaka kopparoxidlager kunna göras supraledande eller spin-injektion från ett ferromagnetiskt lager ge spin-transistorer? Lager av olika metalloxider, som var och en inte är supraledande, men som i ett supergitter kan bli supraledande är intressanta för studier av gränsytor (något som vi inte hunnit med under första finansieringsomgången). Ytterligare isolerande och ledande lager av t ex SrRuO3 gör det möjligt att skapa elektriska fält i kristallen för att studera fälteffekter antingen i ett fåtal lager eller i ett supergitter. Vi vill även undersöka kombinationer av ferroelektriska lager och manganiter för multiferroiska egenskaper.

Deltagare

Dag Winkler (kontakt)

Professor vid Chalmers, Mikroteknologi och nanovetenskap (MC2)

Finansiering

Vetenskapsrådet (VR)

Finansierar Chalmers deltagande under 2011–2013

Mer information

Senast uppdaterat

2015-12-10