Une nouvelle technique de microscopie à effet tunnel et de diffraction électronique à basse énergie développée au laboratoire national d'Oak Ridge a capturé cette image de 50 nm x 50 nm d'une surface d'oxyde. Chaque point brillant est un seul atome de matière.
Des couches minces de matériaux d'oxyde et leurs interfaces ont été observées en résolution atomique pendant la croissance pour la première fois par des chercheurs du Center for Nanophase Materials Sciences du Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, fournissant un nouvel aperçu du lien compliqué entre leur structure et leurs propriétés.
"Imaginez que vous ayez soudainement la capacité de voir en couleur, ou en 3D, " a déclaré Sergei Kalinin du CNMS. " C'est à quel point nous avons pu regarder de près ces très petites interfaces. "
Le document a été publié en ligne dans ACS Nano avec Junsoo Shin d'ORNL comme auteur principal.
Un composant de la magnétoélectronique et de la spintronique, les interfaces en oxyde ont le potentiel de remplacer les dispositifs microélectroniques à base de silicium et d'améliorer la puissance et la rétention de mémoire d'autres technologies électroniques.
Cependant, les interfaces oxydes sont difficiles à analyser à l'échelle atomique car une fois les oxydes retirés de leur chambre de croissance, ils deviennent contaminés. Pour contourner ce problème, Les chercheurs de l'ORNL dirigés par Art Baddorf ont construit un système unique qui permet la microscopie à effet tunnel et la diffraction électronique à basse énergie pour capturer des images de la couche supérieure de l'oxyde in situ, ou encore dans la chambre à vide où les matériaux ont été développés par de puissantes impulsions laser.
De nombreuses études d'interfaces d'oxyde similaires utilisent un regard de côté, généralement obtenu par microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) corrigée des aberrations. L'équipe ORNL a utilisé ces images transversales pour cartographier l'organisation de l'oxyde.
Cependant, comme un sandwich, les interfaces d'oxyde peuvent être plus que ce qu'elles apparaissent de côté. Afin d'observer la couche interactive de l'oxyde supérieur et inférieur, le groupe a utilisé la microscopie à effet tunnel pour obtenir une vue résolue atomiquement de la surface de l'oxyde, et observé son évolution au cours de la croissance d'un deuxième film d'oxyde par-dessus.
"Au lieu de voir un parfaitement plat, réseau carré que les scientifiques pensaient que ces interfaces étaient auparavant, nous avons trouvé un ordre atomique différent et très compliqué, " a déclaré Baddorf. "Nous devons vraiment réévaluer ce que nous savons sur ces matériaux."
Les oxydes peuvent être utilisés dans différentes combinaisons pour produire des résultats uniques. Par exemple, isolé, deux oxydes peuvent être des isolants mais ensemble l'interface peut devenir conductrice. En observant la structure atomique d'un oxyde, les scientifiques peuvent coupler plus efficacement les oxydes pour fonctionner de manière optimale dans des applications technologiques avancées telles que les transistors.
Kalinin dit que l'application correcte de ces matériaux à base d'interface peut ouvrir de nouvelles voies pour le développement de processeurs informatiques et de dispositifs de stockage et de conversion d'énergie, ainsi que la compréhension de la physique de base contrôlant ces matériaux.
« Au cours des 10 dernières années, il n'y a eu que des progrès limités dans le développement de technologies de l'information au-delà du silicium, " a déclaré Kalinin. " Le silicium a des limites qui ont été atteintes, et cela a motivé les gens à explorer d'autres options."
La résolution atomique des structures d'interface pendant la croissance des oxydes permettra aux scientifiques de mieux identifier les défauts de certaines combinaisons d'oxydes populaires et pourrait aider à restreindre les sélections d'oxydes pour stimuler de nouvelles applications commerciales plus efficaces.
