L'analyse d'une équipe dirigée par des chercheurs d'Argonne révèle des détails inédits sur un type de film mince exploré pour la microélectronique avancée.

Les recherches d'une équipe dirigée par des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) offrent un nouveau, vue nanoscopique des oxydes complexes, qui sont prometteurs pour la microélectronique avancée.

Les oxydes complexes sont des matériaux multifonctionnels qui pourraient éventuellement conduire à des composants de mémoire électronique avancés et dispositifs informatiques quantiques. Généralement, ces matériaux sont réalisés couche par couche sur un substrat atomiquement adapté, un processus connu sous le nom de croissance épitaxiale.

Pour utiliser des oxydes complexes en électronique, ils doivent être réalisés sur silicium, tâche impossible pour les techniques de croissance épitaxiale existantes, puisque les structures atomiques de ces deux matériaux ne correspondent pas. Une solution de contournement possible consiste à faire croître les oxydes complexes ailleurs, puis à transférer le film sur un autre substrat. Cependant, une question clé se pose :les propriétés locales d'un film mince d'oxyde complexe resteront-elles intactes si vous le soulevez d'un substrat et le déposez sur un autre ?

La nouvelle recherche révèle des informations sur les oxydes complexes autonomes qui pourraient éventuellement créer un tout nouveau domaine de recherche :la microélectronique des oxydes complexes. Le travail est détaillé dans un document, "Mouvement de paroi de domaine ferroélectrique dans un film mince d'oxyde complexe monocristallin autonome, " récemment publié dans la revue Matériaux avancés .

En utilisant la microscopie à sonde à balayage, l'équipe a étudié le titanate de plomb et de zirconium (PZT), un type de film mince ferroélectrique d'oxyde complexe monocristallin. De tels films monocristallins ont des propriétés idéales pour la microélectronique :ils sont fortement polarisés, supportable et commutable rapidement, les rendant adaptées aux futures puces mémoire ferroélectriques à accès aléatoire, par exemple.

La croissance de ces films minces nécessite des températures d'environ 700 °C (1292 °F), qui détériore les propriétés de la couche interfaciale si elle est directement cultivée sur du silicium. Les chercheurs ont donc fait pousser le PZT sur un substrat plus propice :une base de titanate de strontium (STO) avec une "couche sacrificielle" de manganite de lanthane et de strontium (LSMO) prise en sandwich entre les deux. Pour transférer le film mince PZT sur un autre substrat, les chercheurs ont rompu les liens qui l'unissaient au LSMO.

"PZT pousse magnifiquement sur LSMO, " a déclaré Saidur Rahman Bakaul, un assistant scientifique des matériaux à Argonne qui a dirigé l'étude. "Nous voulions voir ce qui se passerait si nous coupions cette interface."

Après avoir transformé le PZT en un film autoportant, l'équipe de recherche a retourné le film et l'a doucement redéposé sur un substrat STO-LSMO identique. Cela a permis une toute première vue du dessous détaché du PZT.

"C'est comme regarder de l'autre côté de la lune, que vous ne voyez normalement pas, " dit Bakaul.

L'équipe a utilisé la microscopie à force électrostatique avec des sondes d'un rayon de 20 nanomètres pour mesurer les propriétés ferroélectriques locales du matériau. Leur analyse a montré que les propriétés statiques locales de la surface inférieure du PZT autonome étaient assez similaires par rapport à celles de la surface supérieure. Cette trouvaille, Bakaul a dit, est très encourageant pour la future microélectronique à oxydes complexes, car il confirme que la surface interfaciale du film PZT transféré est une couche ferroélectrique de haute qualité. Cela signifie que la technique de transfert doit pouvoir combiner les meilleurs matériaux de différents mondes, tels que le PZT (ferroélectrique) et le silicium (semi-conducteurs). Jusque là, aucune technique de croissance directe n'a atteint cela sans endommager la surface interfaciale.

À l'aide d'images de microscopie à force piézoréponse, les scientifiques ont découvert que la vitesse de la paroi du domaine ferroélectrique de la couche détachée, une mesure du paysage énergétique électrostatique des oxydes complexes, était de presque 1, 000 fois plus lent que les films PZT bruts fortement liés.

Pour savoir pourquoi, l'équipe a d'abord examiné les couches atomiques à la surface inférieure du film PZT avec une microscopie à force atomique, qui a révélé des anomalies en surface. Pour voir d'encore plus près, ils se sont tournés vers le Centre des matériaux nanométriques d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, où ils ont utilisé une nanosonde à rayons X pour voir les inclinaisons dans les plans atomiques, révélant des ondulations inédites.

Les ondulations, Bakaul a dit, s'élever à la hauteur d'un millionième seulement du diamètre d'une tête d'épingle, mais peut toujours créer un champ électrique puissant qui empêche la paroi du domaine de bouger, l'analyse théorique a révélé. Cette affirmation a été étayée par des mesures à partir d'un microscope à balayage capacitif.

La présence de telles ondulations structurelles dans les oxydes complexes, qui était autrefois connue sous le nom de céramique non pliable, est une nouvelle découverte scientifique passionnante et un futur terrain de jeu pour explorer les phénomènes physiques induits par les gradients de contrainte tels que les effets flexoélectriques. Cependant, dans les dispositifs microélectroniques, ces petites ondulations peuvent induire une variabilité d'un appareil à l'autre.

L'oeuvre, qui a été soutenu par le Bureau des sciences énergétiques de base du DOE, offre un niveau de détail unique et important sur les propriétés des films minces d'oxydes complexes autoportants.

« Notre étude montre que ce matériau est prêt à partir pour de futures applications microélectroniques, " Bakaul a dit, "mais cela nécessitera des recherches supplémentaires sur les moyens d'éviter ces ondulations."