Группа ученых и инженеров под руководством Университета Миннесоты Твин Сити разработала новый метод получения тонких пленок оксидных полупроводников перовскита - класса "умных" материалов с уникальными свойствами, которые могут изменяться в ответ на такие раздражители, как свет, магнитные поля или электрические поля.

Открытие позволит исследователям использовать эти свойства и даже комбинировать их с другими новыми наноматериалами для создания более совершенных устройств, таких как датчики, умный текстиль и гибкая электроника.

Работа опубликована в журнале Science Advances.

Производство материалов в виде тонких пленок облегчает их интеграцию в более мелкие компоненты электронных устройств. Многие тонкие пленки изготавливаются с помощью метода эпитаксии, который заключается в размещении атомов материала на подложке или своеобразном шаблоне для создания тонкого листа материала, по одному атомному слою за раз. Однако большинство тонких пленок, созданных методом эпитаксии, "прилипают" к подложке, что ограничивает их применение. Если тонкую пленку отделить от подложки и превратить в отдельно стоящую мембрану, она становится гораздо более функциональной.

Группа специалистов под руководством Университета Миннесоты нашла новый способ успешного создания мембраны из определенного оксида металла - титаната стронция, и их метод позволяет обойти несколько проблем, которые мешали синтезу отдельно стоящих пленок оксидов металлов в прошлом.

"Мы создали процесс, с помощью которого мы можем сделать отдельно стоящую мембрану практически из любого оксидного материала, отшелушить ее, а затем перенести на любой интересующий нас объект", - говорит Бхарат Джалан, старший автор статьи, профессор и заведующий кафедрой Shell на факультете химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты. "Теперь мы можем воспользоваться функциональностью этих материалов, комбинируя их с другими наноразмерными материалами, что позволит создать широкий спектр высокофункциональных и высокоэффективных устройств".

Создание отдельно стоящих мембран из "умных" оксидных материалов является сложной задачей, поскольку атомы связаны во всех трех измерениях, в отличие от двумерных материалов, таких как графен. Одним из методов создания мембран из оксидных материалов является метод удаленной эпитаксии, при котором слой графена используется в качестве посредника между подложкой и тонкопленочным материалом.

Такой подход позволяет тонкопленочному оксидному материалу образовывать тонкую пленку и отклеиваться от подложки, как кусок ленты, создавая отдельно стоящую мембрану. Однако самым большим препятствием для использования этого метода с оксидами металлов является то, что кислород, содержащийся в материале, окисляет графен при контакте, разрушая образец.

Используя гибридную молекулярно-лучевую эпитаксию - метод, впервые примененный в лаборатории Джалана в Университете Миннесоты, исследователи смогли обойти эту проблему, используя титан, уже связанный с кислородом. Кроме того, их метод позволяет автоматически контролировать стехиометрию, то есть они могут автоматически контролировать состав.

"Мы впервые и убедительно показали, проведя несколько экспериментов, что у нас есть новый метод, позволяющий получать сложный оксид и при этом гарантировать, что графен не окисляется. Это важная веха в науке о синтезе", - сказал Джалан. "Кроме того, у нас теперь есть способ изготовления этих сложных оксидных мембран с автоматическим стехиометрическим контролем. Этого еще никому не удавалось сделать".

Материаловеды из группы Джалана тесно сотрудничали с инженерами-исследователями из лаборатории профессора кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Миннесоты Стивена Костера, который специализируется на создании двумерных материалов.

"Эти сложные оксиды - широкий класс материалов, которые обладают множеством действительно важных врожденных функций", - сказал Костер, который также является старшим автором исследования и директором Миннесотского наноцентра при Университете Миннесоты в городах-побратимах. "Теперь мы можем подумать об их использовании для создания очень маленьких транзисторов для электронных устройств, а также в широком спектре других приложений, включая гибкие датчики, умный текстиль и энергонезависимую память".