Gli strati ultrasottili a singolo cristallo di ossido complesso possono produrre nuovi materiali per i dispositivi

3 giorni fa p Luke James Le proprietà di ossidi complessi - magnetismo, conducibilità e ottica - li rendono la chiave per sbloccare i componenti che verranno utilizzati nell'elettronica di prossima generazione per l'archiviazione dei dati, i dispositivi biomedici, il rilevamento, l'energia e altre applicazioni. E, essendo in grado di impilare strati di cristalli singoli di ossido complessi ultrasottili - quelli che sono composti da atomi disposti geometricamente - i ricercatori possono essere in grado di creare nuove strutture multifunzionali con proprietà ibride. Ora, usando una nuovissima piattaforma sviluppata dagli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison e del Massachusetts Institute of Technology, i ricercatori saranno in grado di realizzare questi materiali a cristalli impilati in combinazioni illimitate. Film sottili di film di ossidi metallici che vengono pelati e impilati e progettati per avere proprietà magnetiche ed elettroniche uniche. Immagine usata per gentile concessione del MIT. Il nuovo processo del MIT, "epitassia remota", prevede la crescita di sottili pellicole di materiale semiconduttore su un wafer ampio e spesso dello stesso materiale, che a sua volta è coperto da uno strato intermedio di grafene. L'epitassia è il processo per depositare un materiale su un altro in modo ordinato. Il nuovo metodo di stratificazione dei ricercatori supera una sfida affrontata nell'epitassia convenzionale: ogni nuovo strato di ossido deve essere strettamente compatibile con la struttura atomica dello strato sottostante. "Il vantaggio del metodo convenzionale è che puoi far crescere un singolo cristallo perfetto sopra un substrato, ma hai un limite", afferma Chang-Beom Eom, professore di scienze dei materiali, ingegneria e fisica. “Quando cresci il materiale successivo, la tua struttura deve essere la stessa e la tua spaziatura atomica deve essere simile. Questo è un vincolo, e al di là di questo vincolo, non cresce bene ". Alcuni anni fa, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un approccio alternativo al metodo convenzionale che è stato utilizzato come parte del nuovo processo epitassico remoto: l'aggiunta di uno strato intermedio realizzato con un materiale di carbonio ultrasottile, il grafene. Questo strato funge da supporto staccabile. Quando un film semiconduttore è cresciuto, può essere rimosso dal wafer che può quindi essere riutilizzato per far crescere un altro film. Utilizzando questo metodo, è possibile far crescere un numero illimitato di film semiconduttori sottili e flessibili. Come evidenziato nella loro ricerca, gli scienziati dimostrano di essere in grado di utilizzare l'epitassia remota per produrre film indipendenti di qualsiasi materiale funzionale. Possono anche impilare film realizzati con questi diversi materiali per produrre dispositivi elettronici flessibili e multifunzionali. Ricercatori del MIT coinvolti nel metodo "peel and stack" per l'elettronica elastica. Da sinistra a destra: Kuan Qiao, Jeehwan Kim, Hyun S. Kum, Wei Kong, Sang-Hoon Bae, Jaewoo Shim, Sangho Lee, Chanyeol Choi. Immagine usata per gentile concessione del MIT. I ricercatori del MIT ritengono che il loro processo potrebbe eventualmente essere utilizzato per produrre pellicole elettroniche elastiche da utilizzare in una varietà di tecnologie, come lenti a contatto abilitate per la realtà virtuale, pelli ad energia solare che si adattano ai veicoli elettrici e caricano le loro batterie e tessuti elettronici che rispondere ai cambiamenti delle condizioni meteorologiche. "È possibile utilizzare questa tecnica per mescolare e abbinare qualsiasi materiale semiconduttore per avere nuove funzionalità del dispositivo, in un unico chip flessibile", afferma Jeehwan Kim, professore associato di ingegneria meccanica presso il MIT. "Puoi produrre elettronica in qualsiasi forma." "Questo progresso, che sarebbe stato impossibile utilizzando le convenzionali tecniche di crescita a film sottile, apre la strada a possibilità pressoché illimitate nella progettazione dei materiali", afferma Evan Runnerstrom, responsabile del programma di progettazione dei materiali presso l'Esercito Research Office, che ha finanziato parte della ricerca. “La capacità di creare interfacce perfette accoppiando classi disparate di materiali complessi può consentire comportamenti e proprietà sintonizzabili completamente nuovi, che potrebbero potenzialmente essere sfruttati per le nuove capacità dell'esercito nelle comunicazioni, sensori riconfigurabili, elettronica a bassa potenza e scienza dell'informazione quantistica. I risultati di Kim e dei suoi colleghi mostrano che l'epitassia remota può essere utilizzata per rendere l'elettronica flessibile da una combinazione di materiali diversi con funzionalità diverse, che in precedenza erano difficili da combinare in un unico dispositivo. "Il quadro generale di questo lavoro è che puoi combinare materiali totalmente diversi in un unico posto insieme", afferma Kim. "Ora puoi immaginare un dispositivo sottile e flessibile costituito da strati che includono un sensore, un sistema di elaborazione, una batteria, una cella solare, in modo da poter disporre di un chip impilato flessibile, autoalimentato e connesso a Internet." Il team sta esplorando diverse combinazioni di film semiconduttori e sta lavorando allo sviluppo di dispositivi prototipo. Uno di questi dispositivi è quello che Kim definisce un "tatuaggio elettronico", un chip flessibile e trasparente che può attaccarsi e conformarsi al corpo di una persona e trasmettere segni vitali a un dispositivo esterno. "Ora possiamo realizzare componenti elettronici sottili, flessibili e indossabili con la massima funzionalità", ha aggiunto Kim. "Basta staccare e impilare."