Des chercheurs dévoilent le mystère des propriétés diélectriques d’un oxyde métallique unique


Des chercheurs dévoilent le mystère des propriétés diélectriques d'un oxyde métallique unique

Le professeur agrégé de l’Université du Minnesota, Bharat Jalan, et ses étudiants ont que la véritable constante diélectrique de leurs films de titanate de strontium dépasse 25 000 – la plus élevée jamais mesurée pour ce matériau. Crédit photo : Groupe Jalan, Université du Minnesota

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

Le papier apparaît dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

Lorsqu’un isolant tel que 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 arrangement ordonné d’électrons et de noyaux est résisté par des oscillations thermiques, et le degré d’ordre est mesuré par une quantité fondamentale appelée constante diélectrique. A basse température où les oscillations thermiques sont faibles, la constante diélectrique est plus grande.

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

Des échantillons centimétriques de haute qualité de titanate de strontium ont 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 utilisant diverses méthodes pour développer des films minces, seule une constante diélectrique modeste de 100 à 1 000 a été obtenue dans les films minces de titanate de strontium.

Dans le cas de couches minces, qui peuvent n’avoir que quelques couches atomiques d’épaisseur, l’interface entre couche et substrat ou entre couche et couche sus-jacente peut jouer un rôle important.

Bharat Jalan, auteur principal de l’article, professeur et titulaire de la chaire Shell au 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 examinant attentivement cet effet de masquage, Jalan et ses étudiants ont découvert que la véritable constante diélectrique de leurs films de titanate de strontium dépasse 25 000 – la plus élevée jamais mesurée pour ce matériau.

Les résultats de Jalan et de ses étudiants et collaborateurs fournissent un aperçu critique du rôle des interfaces entre un isolant et un métal, comme on le trouve dans les structures de condensateurs qui sont omniprésentes dans la technologie moderne, même lorsque le métal et l’isolant sont présents proviennent de la même matériel.

« 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 comme le silicium et l’arséniure de gallium, il existe plusieurs mystères non résolus sur les semi-conducteurs d’oxyde comme le titanate de strontium. »

Jalan a déclaré qu’avec cette recherche, ils ont résolu un problème de longue date lié à la faible constante diélectrique dans les films de titanate de strontium grâce au contrôle des défauts et de l’interface.

« Ces résultats s’appuient sur un bilan remarquable de la méthode de croissance de film découverte par Jalan, connue sous le nom d’épitaxie par faisceau moléculaire hybride », a déclaré Richard James, professeur émérite de l’Université McKnight au Département de génie aérospatial et de mécanique, et 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, un étudiant diplômé de l’École de physique et d’astronomie de l’Université du Minnesota qui est supervisé par Jalan.

« C’était très gratifiant de voir qu’une interface de quelques couches atomiques d’épaisseur peut avoir un impact énorme sur la lecture », a déclaré Yang à propos de la découverte de constantes élevées.


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Plus d’information:
Bharat Jalan et al., SrTiO épitaxial3 Feuilles avec des constantes diélectriques supérieures à 25 000, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.220218911

Fourni par l’Université du Minnesota

Citation: Des chercheurs résolvent le mystère des propriétés diélectriques d’oxydes métalliques uniques (13 juin 2022) Extrait le 14 juin 2022 de https://phys.org/news/2022-06-mystery-dielectric-properties-unique-metal.html

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