Le magnétique, les propriétés conductrices et optiques des oxydes complexes en font la clé des composants de l'électronique de nouvelle génération utilisée pour le stockage de données, sentir, technologies énergétiques, dispositifs biomédicaux et de nombreuses autres applications.

L'empilement de couches monocristallines d'oxyde complexe ultrafines, composées d'atomes disposés géométriquement, permet aux chercheurs de créer de nouvelles structures aux propriétés hybrides et aux fonctions multiples. Maintenant, en utilisant une nouvelle plate-forme développée par des ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison et du Massachusetts Institute of Technology, les chercheurs pourront fabriquer ces matériaux cristallins empilés dans des combinaisons pratiquement illimitées.

L'équipe a publié les détails de son avance le 5 février dans le journal La nature .

L'épitaxie est le processus consistant à déposer un matériau sur un autre de manière ordonnée. La nouvelle méthode de stratification des chercheurs surmonte un défi majeur de l'épitaxie conventionnelle :chaque nouvelle couche d'oxyde complexe doit être étroitement compatible avec la structure atomique de la couche sous-jacente. C'est un peu comme empiler des blocs Lego :les trous au bas d'un bloc doivent s'aligner avec les points en relief au-dessus de l'autre. S'il y a un décalage, les blocs ne s'emboîtent pas correctement.

"L'avantage de la méthode conventionnelle est que vous pouvez faire croître un monocristal parfait sur un substrat, mais tu as une limite, " dit Chang-Beom Eom, un professeur UW-Madison de science et d'ingénierie des matériaux et de physique. "Lorsque vous cultivez le prochain matériau, votre structure doit être la même et votre espacement atomique doit être similaire. C'est une contrainte, et au-delà de cette contrainte, ça ne pousse pas bien."

Il y a quelques années, une équipe de chercheurs du MIT a développé une approche alternative. Dirigé par Jeehwan Kim, professeur agrégé en génie mécanique et science et ingénierie des matériaux au MIT, le groupe a ajouté une couche intermédiaire ultrafine d'un matériau carboné unique appelé graphène, puis utilisé l'épitaxie pour faire croître une fine couche de matériau semi-conducteur au-dessus de celle-ci. Une seule molécule d'épaisseur, le graphène agit comme un support pelable en raison de sa faible liaison. Les chercheurs ont pu retirer la couche semi-conductrice du graphène. Ce qui restait était une feuille ultramince autoportante de matériau semi-conducteur.

Eom, un expert des matériaux oxydes complexes, dit qu'ils sont intrigants car ils ont un large éventail de propriétés ajustables, y compris plusieurs propriétés dans un matériau, que de nombreux autres matériaux n'ont pas. Donc, il était logique d'appliquer la technique du pelage aux oxydes complexes, qui sont beaucoup plus difficiles à développer et à intégrer.

"Si vous avez ce genre de croissance et d'élimination par copier-coller, combiné avec les différentes fonctionnalités de l'assemblage de matériaux d'oxyde monocristallin, vous avez une énorme possibilité de fabriquer des appareils et de faire de la science, " dit Eom, qui a rencontré des ingénieurs mécaniciens au MIT lors d'un congé sabbatique là-bas en 2014.

Les groupes de recherche Eom et Kim ont combiné leur expertise pour créer des couches monocristallines d'oxyde complexe ultrafines, à nouveau en utilisant du graphène comme intermédiaire pelable. Plus important, cependant, ils ont surmonté un obstacle auparavant insurmontable - la différence de structure cristalline - en intégrant différents matériaux d'oxyde complexes.

"Les matériaux magnétiques ont une structure cristalline, alors que les matériaux piézoélectriques en ont un autre, " dit Eom. " Donc, vous ne pouvez pas les faire pousser les uns sur les autres. Lorsque vous essayez de les faire pousser, ça devient juste désordonné. Maintenant, nous pouvons faire croître les couches séparément, les décoller, et les intégrer."

Dans ses recherches, l'équipe a démontré l'efficacité de la technique en utilisant des matériaux tels que la pérovskite, spinelle et grenat, parmi plusieurs autres. Ils peuvent également empiler des matériaux d'oxyde complexes simples et des semi-conducteurs.

"Cela ouvre la possibilité d'étudier de nouvelles sciences, ce qui n'a jamais été possible dans le passé parce que nous ne pouvions pas le cultiver, " dit Eom. " Les empiler était impossible, mais maintenant il est possible d'imaginer des combinaisons infinies de matériaux. Maintenant, nous pouvons les assembler."

L'avancée ouvre également les portes à de nouveaux matériaux dotés de fonctionnalités qui pilotent les technologies futures.

« Cette avance, ce qui aurait été impossible avec les techniques classiques de croissance en couches minces, ouvre la voie à des possibilités presque illimitées dans la conception de matériaux, " dit Evan Runnerstrom, responsable de programme en conception de matériaux au bureau de recherche de l'armée, qui a financé une partie de la recherche. "La capacité de créer des interfaces parfaites tout en couplant des classes disparates de matériaux complexes peut permettre des comportements entièrement nouveaux et des propriétés accordables, qui pourraient potentiellement être mis à profit pour de nouvelles capacités de l'armée en matière de communications, capteurs reconfigurables, électronique basse consommation, et la science de l'information quantique."