Un groupe de recherche composé du Dr Takayoshi Sasaki, Boursier NIMS, Dr Tatsuo Shibata, chercheur post-doctoral, et d'autres collaborateurs du Centre international de nanoarchitectonique des matériaux de l'Institut national des sciences des matériaux ont développé avec succès une nouvelle technologie pour permettre la croissance orientée de films minces d'oxyde de pérovskite de haute qualité, qui sont des matériaux fonctionnels importants, dans une orientation préférée choisie sur tout type de substrat tel qu'un substrat en verre.

De nombreux dispositifs électroniques et optoélectroniques avancés qui nous entourent ont incorporé des composants utilisant des films minces cristallins constitués de divers matériaux fonctionnels qui jouent un rôle important dans la réalisation de leurs fonctions par les dispositifs. Oxydes de pérovskite, comme caractérisé par le titanate de baryum, représentent une telle classe de matériaux fonctionnels qui fournit des caractéristiques utiles, comme la ferroélectricité et la piézoélectricité, et ils sont largement appliqués aux MEMS, capteurs et mémoire. Ces caractéristiques dépendent fortement de facteurs tels que l'orientation des cristaux, cristallinité et degré d'orientation. Par conséquent, le contrôle de la croissance des couches minces constitue un défi décisif. Un choix commun pour une culture de haute qualité, Les films minces cristallins bien orientés sont une croissance épitaxiale qui utilise des substrats monocristallins avec une structure cristalline similaire à celle du cristal cible. Cependant, le coût élevé et les limitations de taille associées à la méthode empêchent une application plus large. Le développement d'une technologie qui permettra une croissance cristalline de haute qualité bien orientée sur un substrat bon marché et conventionnel, comme le verre et le plastique, a été très attendue.

Le groupe de recherche a utilisé une bibliothèque de nanofeuillets inorganiques, qui sont des substances de type graphène obtenues en exfoliant un composé en couches en couches simples. De la bibliothèque, le groupe a sélectionné trois types de nanofeuillets d'oxydes compatibles avec la structure de l'orientation souhaitée, et les assembler à la surface d'un verre ou d'un autre substrat en utilisant un procédé de mise en solution, éliminer autant que possible les chevauchements et les lacunes, pour former une sous-couche ultra-mince (couche d'ensemencement) d'une épaisseur d'environ 1 nanomètre. Une fine couche cristalline d'oxyde de type pérovskite a été déposée sur la sous-couche par un procédé en phase vapeur. Par conséquent, le groupe a réussi à faire croître des couches minces tout en maîtrisant leurs orientations au (100), (110) et (111) orientations, quelles sont les orientations principales utilisées pour les cristaux de pérovskite, pour correspondre structurellement au réseau bidimensionnel des nanofeuillets respectifs. Cette technique a clairement montré un avantage supplémentaire de permettre une croissance cristalline avec un degré de liberté plus élevé que dans les techniques conventionnelles, car contrairement à une surface de substrat monocristallin ordinaire, les nanofeuillets n'ont pas de liaisons pendantes. Les films minces obtenus ont montré des performances diélectriques au moins deux fois supérieures à celles des films minces non orientés, démontrant l'efficacité de cette technique du point de vue de l'amélioration fonctionnelle.

Ce résultat de recherche a permis de faire croître des films minces d'oxyde de pérovskite, qui sont des matériaux fonctionnels importants, tout en maîtrisant leurs orientations, en revêtant la surface du substrat d'une nanofeuille, qui peut être considéré comme un "papier peint à motifs avec une épaisseur nanométrique". Étant donné que cette nouvelle technique est rentable et très universelle en ce qu'elle permet l'utilisation de substrats conventionnels tels que le verre et les plastiques qui ne pouvaient pas être utilisés auparavant et que la nanofeuille peut être appliquée sur la surface du substrat par un processus de solution à température ambiante, il pourrait avoir des effets d'entraînement substantiels et apporter une innovation technologique dans les applications aux MEMS et aux capteurs.

Cette recherche a été réalisée dans le cadre du projet de recherche " Développement de nanomatériaux/procédés de fabrication pour l'électronique de nouvelle génération à l'aide de nanofeuillets inorganiques" (chef de projet :Takayoshi Sasaki) dans le cadre de l'"établissement d'une technologie de fabrication innovante basée sur Nanotechnologie " Domaine de recherche du noyau de recherche de l'évolution Science &Technology (CREST) ​​Programme de l'Agence japonaise pour la science et la technologie (JST). Ce résultat sera bientôt publié dans Journal de la chimie des matériaux C (Société royale de chimie).