Une équipe de recherche dirigée par l'Université du Minnesota Twin Cities a résolu un mystère de longue date entourant le titanate de strontium, un oxyde métallique inhabituel qui peut être un isolant, un semi-conducteur ou un métal. La recherche donne un aperçu des applications futures de ce matériau aux appareils électroniques et au stockage de données.

L'article est publié dans les Actes de l'Académie nationale des sciences .

Lorsqu'un isolant comme le titanate de strontium est placé entre des plaques métalliques chargées de manière opposée, le champ électrique entre les plaques provoque l'alignement des électrons chargés négativement et des noyaux positifs dans la direction du champ. Cet alignement ordonné d'électrons et de noyaux est résisté par les vibrations thermiques, et le degré d'ordre est mesuré par une quantité fondamentale appelée la constante diélectrique. A basse température, où les vibrations thermiques sont faibles, la constante diélectrique est plus grande.

Dans les semi-conducteurs, la constante diélectrique joue un rôle important en fournissant un "écran" ou une protection efficace des électrons conducteurs contre d'autres défauts chargés dans le matériau. Pour les applications dans les appareils électroniques, il est essentiel d'avoir une grande constante diélectrique.

Des échantillons centimétriques de haute qualité de titanate de strontium présentent une constante diélectrique mesurée à basse température de 22 000, ce qui est assez important et encourageant pour les applications. Mais la plupart des applications dans les ordinateurs et autres appareils nécessiteraient des couches minces. Malgré les efforts considérables déployés par de nombreux chercheurs utilisant diverses méthodes pour développer des couches minces, seule une constante diélectrique modeste de 100 à 1 000 a été obtenue dans les couches minces de titanate de strontium.

Dans les films minces, qui peuvent n'avoir que quelques couches atomiques d'épaisseur, l'interface entre le film et le substrat, ou le film et la couche suivante, peut jouer un rôle important.

Bharat Jalan, auteur principal de l'article, professeur et titulaire de la chaire Shell du département de génie chimique et des sciences des matériaux de l'Université du Minnesota, a émis l'hypothèse que ces interfaces "enterrées" pourraient masquer la véritable constante diélectrique du titanate de strontium. En prenant soigneusement en compte cet effet de masquage, Jalan et ses étudiants ont découvert que la véritable constante diélectrique de leurs films de titanate de strontium dépassait 25 000, la valeur la plus élevée jamais mesurée pour ce matériau.

Les découvertes de Jalan et de ses étudiants et collaborateurs fournissent un aperçu critique du rôle des interfaces entre un isolant et un métal que l'on trouve dans les structures de condensateurs omniprésentes dans la technologie moderne, même lorsque le métal et l'isolant sont dérivés du même matériau.

"Les semi-conducteurs sont parmi les matériaux les plus importants utilisés dans la technologie moderne", a déclaré Jalan. "Bien que l'on sache beaucoup de choses sur les semi-conducteurs conventionnels tels que le silicium et l'arséniure de gallium, il existe plusieurs mystères non résolus entourant les semi-conducteurs à base d'oxyde comme le titanate de strontium."

Jalan a déclaré qu'avec cette recherche, ils ont résolu un problème de longue date concernant les faibles constantes diélectriques dans les films de titanate de strontium grâce au contrôle des défauts et de l'interface.

"Ces résultats s'appuient sur un record de succès remarquable pour la méthode de croissance de film, connue sous le nom d'épitaxie par faisceau moléculaire hybride, découverte par Jalan", a déclaré Richard James, professeur émérite de l'Université McKnight au Département de génie aérospatial et de mécanique, et un co -auteur de l'étude. "La qualité des films du groupe de Jalan est vraiment exceptionnelle."

L'étudiant à la tête de l'effort de croissance était Zhifei Yang, étudiant diplômé à l'École de physique et d'astronomie de l'Université du Minnesota sous la direction de Jalan.

"C'était assez gratifiant de voir qu'une interface de seulement quelques couches atomiques d'épaisseur peut avoir un impact énorme sur la valeur mesurée", a déclaré Yang à propos de la découverte de constantes diélectriques élevées. + Explorer plus loin

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