Veijo Hänninen
Omituiset oksidit
Perinteisesti oksidimateriaalit tunnetaan lähinnä eristeinä mutta erityisesti oksidien nanomittakaava muodostaa uuden ulottuvuuden erilaisista ilmiöistä johtuen lisääntyneestä pinta/tilavuus suhteesta.
Oksidielekroniset materiaalit ovat tulossa tärkeiksi monissa sovelluksissa, kuten läpinäkyvässä elektroniikassa, optoelektroniikassa, magnetoelektroniikassa, fotoniikassa, spintroniikassa, termoelektroniikassa, pietsosähköisissä sekä tehon keruussa ja vedyn varastoinnissa.
Nykyään oksideja tutkitaan jo laitesovelluksien kannalta sekä mahdollisuudessa integroida niitä piitekniikkaan tai kunnianhimoisella oksidielektroniikan kentällä, jonka tavoitteena on kehittää uutta elektroniikkaa, joka perustuisi oksideihin.
Uudenlaisen oksidielektroniikan etuina olisivat: a) oksidien tuottamat uudenlaiset toiminnot, jollaiset nykyisistä puolijohteista puuttuvat, b) niiden isostruktuuri, joka mahdollistaa vertikaalisen useiden laitteiden integroinnin epitaksiaalisten heterorakenteiden kautta, c) nanometrisistä ominaispituuksista johtuen koon pienentämisen lupaavat mahdollisuudet.
Uusin konstein ohuita oksideja
Australialaisen RMIT Universityn tutkijat ovat nestemäisen metallin avulla luoneet kaksiulotteisia materiaaleja jotka ovat vain muutaman atomin paksuisia.
Näitä materiaaleja ei ole koskaan ennen nähty luonnossa. Uudenlainen tekotapa on omiaan kemian alalla mutta syntyviä materiaaleja voidaan soveltaa datan tallennukseen ja nopeamman elektroniikan tekoon.
Tutkijat käyttivät myrkyttömiä galliumin seoksia reaktioväliaineena. Kun siihen on liuotettu Hafniumia, Alumiinia tai Gadoliniumia se tuottaa äärimmäisen ohuita alle nanometrien paksuisia kerroksia HfO2, Al2O3 ja Gd2O3 -oksideita.
Monipuolisempaa läpinäkyvyyttä
Oksidipuolijohteita hyödyntävät TFT-transistorit ovat näyttötekniikan selkäranka sillä ne kaupallistettiin litteissä näytöissä jo vuonna 2012.
Läpinäkyviä johdemateriaaleja tarvitaan aurinkokennoissa, valoilmaisimissa ja erilaisissa elektroniikkalaitteissa. Erityisen tärkeitä ovat materiaalit, jotka johtavat sähköä elektronien aukoilla eli p-tyypin materiaalit.
Pacific Northwest National Laboratoryn (PNNL) tutkijat muokkasivat vuonna 2015 optisesti läpinäkyvää eristävää oksidia, korvaten jopa 25 prosenttia isäntämateriaalin lantaanin ioneista strontiumioneilla.
Näin he saivat aikaan kaivatun p-tyypin kalvon (SrxLa1-xCrO3), joka johtaa sähköä paremmin kuin muokkaamaton oksidi ja säilyttää vielä paljon läpinäkyvyyttä näkyvälle valolle. Uudet perovskiittikalvot sijoittuvat tähän kategoriaan.
Läpinäkyviä metallikalvoja
Vaihtoehtoa indiumtinaoksidille (ITO) Penn State yliopiston materiaalitieteilijät loivat vuonna 2015 strategian, joka lähestyy ongelmaa eri näkökulmasta.
Tutkijat hyödyntävät ohutta kalvoa (10 nm), joka on tehty epätavallisista korreloivien metallien materiaaleista. Niissä elektronit virtaavat kuin neste. Perinteisissä metalleissa elektronit virtaavat enemmän kaasumaisesti.
Tutkijoiden kokeilemat strontium vanadaatti ja kalsium vanadaatti osoittavat hyvää optista läpinäkyvyyttä metallimaisesta johtavuudesta huolimatta.
Yritämme tehdä metalleista läpinäkyviä muuttamalla niiden elektronien efektiivistä massaa," totesi tuolloin Engel-Herbert. "Teemme sen valitsemalla materiaaleja, joissa sähköstaattinen vuorovaikutus negatiivisesti varautuneiden elektronien välillä.
Tämän vahvan korrelaation vaikutuksen seurauksena, elektronit "tuntevat" toisensa ja käyttäytyvät kuin neste eikä kaasumaisesti toisiinsa vuorovaikuttamatta. Tällainen elektronien neste on erittäin johtava mutta heikosti heijastava eli läpinäkyvä.
Elektroniikkaa kompleksisilla oksideilla
Kompleksiset oksidit ovat kiinnostaneet materiaalitieteilijöitä lupauksena uudenlaisesta energia- ja tietotekniikasta tulevaisuudessa.
Kompleksisissa oksidikiteissä yhdistyvät happiatomien kanssa tietyt metallit tuottaen epätavallisia ja erittäin haluttuja ominaisuuksia. Koska niiden elektronit ovat vahvasti vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa ne voivat kytkeytyä erilaisiin fyysisiin ominaisuuksiin, kuten rasitus, magnetismi ja magneettinen järjestys, sähkökenttä ja polarisaatio. Tällaiset oksidit voivat esiintyvät eristeinä, metalleina, magneetteina ja suprajohtimina.
Kuten nimikin vihjaa aihe tuottaa monimutkaisuudessaan uusia yllätyksiä.
Oak Ridge National Laboratoryn johtama kansainvälinen projekti teki vuonna 2014 yllättävän löydön. Sen mukaan sähkökenttä voi ohjailla hapen diffuusiota monimutkaisista oksideista muokattujen ohutkalvojen rajapinnoilla.
Ilmiötä voidaan käyttää perustana suunnitella uusia elektronisia laitteita, jotka käyttävät sekä elektroneja että ioneja.
Havainnolla voisi olla käyttöä sähkökenttään perustuvassa datan tallennuksessa, joka olisi energiatehokkaampi kuin nykypäivän magneettinen tallennus. Siitä voisi tuottaa myös tehokkaampia polttokennoja, jotka muuttavat varattujen atomien tai ionien pitoisuutta kemiallisille reaktioille keskeisissä paikoissa.
Materiaalisuunnittelulla kaistaero sopivaksi
Jos ei löydy ihanteellista materiaalia, sellainen on sitten suunniteltava.
Nykyään on mahdollista luoda digitaalisia materiaaleja atomitason tarkkuudella", totesi vuonna 2015 Northwestern-yliopiston James Rondinelli. Hänen johtamansa ryhmä käytti kvanttimekaanisia laskelmia ennustaakseen ja suunnitellakseen uusien materiaalien ominaisuuksia atomitason tarkkuudella.
Eräs heidän saavutus oli löytää uusi tapa hallita elektronista kaistaeroa monimutkaisissa oksidimateriaaleissa muuttamatta materiaalin yleistä koostumusta.
Havainto voi johtaa parempiin elektro-optisiin laitteisiin, kuten laserit ja uudet energiaa generoivat ja muuntavat materiaalit, kuten valoa paremmin absorboivat aurinkokennot sekä auringonvalon muuntamisen kemiallisiksi polttoaineiksi valosähkökatalyysin kautta.
Nykyiset viritysmenetelmät ei-oksidisissa puolijohteissa voivat muuttaa energiarakoa vain noin yhdellä elektronivoltilla, mikä aiheuttaa lisäksi muutoksia materiaalin kemiallisen koostumukseen. Rondinellin menetelmä voi muuttaa aukkoa jopa 200 prosenttia muuttamatta materiaalin kemiaa.
Kompleksisissa oksidimateriaaleissa luonnollisesti esiintyvät kerrokset inspiroivat ryhmää tutkimaan miten hallita niitä. Virittämällä kationien järjestelyä näillä toisiinsa liittyvillä tasoilla, Rondinellin ryhmä osoitti energiaraon vaihteluksi enemmän kuin kaksi elektronivolttia.
Itsestään muodostuvia piirejä
Yhdysvaltain energiaministeriön Oak Ridge Nationa Laboratoryssä tehtiin vuonna 2016 löytö, että monimutkaiset materiaalit voivat itseorganisoitua piireiksi eli voivat muodostaa perustan ionitoimisille siruille.
Tutkimus osoitti, että yksikiteinen kompleksinen oksidimateriaali, kun se on rajoittunut mikro- ja nanomittoihin, voi toimia kuten monen komponentin virtapiiri. Tämä käyttäytyminen johtuu tiettyjen kompleksisten oksidien epätavallisista ominaisuuksista, joita kutsutaan faasierottumisen piirteiksi, jossa pienet alueet materiaalissa osoittavat toisistaan poikkeavia sähköisiä ja magneettisia ominaisuuksia.
Tutkimuksessa löytyi tapa, jonka avulla näitä faaseja voi käyttää toimimaan kuten piirielementit. Niitä voi myös siirtää ympäriinsä, mikä tarjoaa mahdollisuuden luoda materiaalista uudelleen muokattavia piirejä.
Koska faasit reagoivat sekä magneetti- että sähkökentille, materiaalia voidaan ohjata useilla eri tavoilla, mikä luo mahdollisuuden uudentyyppisille sirupiireille.
Oksidit tulevat monitoimisiksi
Siirtymämetallien oksidiyhdisteiden luokka tuottaa laajan joukon toiminnallisia ominaisuuksia kuten korkean eriste permittivisyyden (dielektrisyysvakio), pietsosähköisyyden ja ferrosähköisyyden, spin polarisoidun virran sekä kolossiaalisen magnetoresistiivisyyden ja ferromagnetismin.
Miltei kaikki nämä ilmiöt ovat tulosta vahvasti korreloivasta elektronisesta käyttäytymisestä ja näyttäisivät olevan erittäin herkkä ulkoisille parametreille kuten sähkö- ja magneettikentille, sisäiselle tai ulkoiselle paineelle ja niin edelleen.
Vuonna 2012 University of Arkansas fyysikot tutkivat kompleksisia oksideja lähes kvanttirajoillaan ja havaitsivat, että toisin kuin perinteiset puolijohdemateriaalit ne eivät ainoastaan johda sähköä, vaan myös kehittävät epätavallisia magneettisia ominaisuuksia.
"Tässä on yksi kvanttikaivo, joka on vain neljä nanometriä paksu, ja meillä on nyt useita toiminnallisuuksia yhdessä rakennekerroksessa", totesi tuolloin fysiikan professori Jak Chakhalian. "Insinöörit voivat käyttää tämän luokan materiaalia kehittääkseen uusia monitoimisia laitteita, jotka perustuvat elektronien spiniin."
Tutkijat havaitsivat, että käyttämällä kompleksisia oksideja korreloivien elektronien kanssa, jotka rajoittuvat kvanttikaivogeometriaan, he lisäsivät uuden ulottuvuuden puolijohtavien nanoskaalan materiaalien kerrosten yhdistelmään.
Uusi rakenne perustuu siihen korreloitujen varauksenkuljettajien konseptiin, jollainen löytyy ruosteesta tai rautaoksidista. Ruosteessa, jos yksi elektroni tekee jotain, kaikki muut elektronit "tietävät" siitä. Tätä ilmiötä ei esiinny piipohjaisissa materiaaleissa.
Toisin kuin puolijohdemateriaaleissa kompleksinen oksidirakenne paljasti odottamattoman sekä elektronisen että magneettisen ominaisuuksien läsnäolon.
Vuonna 2014 Los Alamos National Laboratoryssä havaittiin, että strontium titanaatti (SrTiO3), nimellisesti ei-magneettinen laajakaistainen puolijohde, voidaan magnetisoida ja se säilyy tunteja kerrallaan.
Jos puolijohdemateriaalia voidaan magnetoida valolla, se viittaa uusiin teknologiamahdollisuuksiin. Tämä kide osoittautui yllättäviä magneettisia ominaisuuksia käsiteltäessä erityisellä ympyräpolarisoidulla valolla.
Oksidimuistit lähempänä todellisuutta
Vuonna 2012 University College London (UCL) tutkijat saivat aikaan ensimmäisen puhtaasti piioksidipohjaisen resistiivisen RAM-muistisirun, joka voi toimia normaaliympäristön olosuhteissa
Resistiivinen RAM (ReRAM) muistipiirit perustuvat useimmiten metallioksidimateriaaleihin, joiden resistanssi muuttuu, kun niihin liitetään jännite. Lisäksi ne "muistavat" tämän tilan vaikka jännite katkaistaan.
UCL:n tutkijoiden kehittämä uusi rakenne perustuu piioksidiin ja se tekee resistanssin vaihdon paljon tehokkaammin kuin aikaisemmin on saavutettu.
Rakenne saattaa mahdollistaa myös läpinäkyvien muistisirujen tuottamisen kosketusnäyttöihin ja mobiililaitteisiin.
Tutkijoiden kehittämää ratkaisua voidaan käyttää myös memristorina. Ensimmäinen memristori esiteltiin vuonna 2008 ja se perustui titaanidioksidiin. Piioksidiin perustuva memristori on askel eteenpäin, koska se voidaan integroida piisirulle.
Joustavia muistipiirejä piioksidista
Samana vuonna myös Rice Universityssä valmistettiin luotettavia haihtumattomia muisteja piioksidista ja grafeenista 80 prosenttisella saannolla.
Tekniikka perustuu piioksidin kytkentäominaisuuksia eli varsin erikoiseen läpimurtolöytöön, joka tehtiin Ricessä jo vuonna 2008. Tällöin havaittiin, että lasia muistuttava ja eristeenä toimiva piioksidi voi itsessään toimia kuin kytkin.
Jännitteen avulla nanomittaisten piioksidikerrosten rakenne muunnetaan metalliseksi piiksi. Pienemmällä jännitteellä kanava voidaan sitten katkaista ja yhdistää toistuvasti ja siten lukea kuin ykkös- ja nollabittiä.
Kun flash-muistit vaativat kolme liitintä kutakin bittiä kohti niin Ricen yksikkö, toimii kahden liitännän avulla eli se voidaan helposti pinota kolmiulotteisiksi rakenteiksi.
Nyt rakennetta on parannettu läpinäkyväksi ja joustavaksi grafeenisten tai indiumtinaoksidisten liitäntäelektrodien avulla.
Oksideistako tehoelektroniikan tehostaja?
Utahin ja University of Minnesotan insinöörit ovat äskettäin havainneet, että kahden erityisen oksidimateriaalin rajapinta on erittäin johtava. Sellaisenaan oksidimateriaalit ovat eristeitä.
Tutkimukset paljastivat, että kun kaksi oksidiyhdistettä - strontiumtitanaatti (SrTiO3) ja neodyymititanatti (NdTiO3) – vuorovaikuttavat toistensa kanssa, niiden atomien väliset sidokset ovat järjestyneet siten, että syntyy paljon vapaita elektroneja eli kaksiulotteinen elektronikaasu.
Rajapinnassa syntyneiden elektronien määrä on sata kertaa suurempi kuin mikä on mahdollista puolijohteissa. "Rajapinta on myös noin viisi kertaa paremmin johtavaa kuin pii," toteaa tutkimuksen vetäjä Sensale-Rodriguez.
Tämä löytö voisi parantaa tehotransistoreja ja terahertsitekniikkaa. Nykyään niissä käytetään paljon galliumnitridiä. Nyt tutkittujen yhdisteiden rajapinta voi olla vähintäänkin yhtä johtavaa kuin galliumnitridi ja todennäköisesti tulee vielä paranemaan uskovat tutkijat jatkotutkimuksiinsa luottaen.
Elektronikaasun johtavuus on havaittu jo aiemmin ja niistä on löydetty muitakin kiehtovia fysikaalisia ilmiöitä joten niillä on potentiaalia uudenlaisille elektronisille rakenteille lupaavine ominaisuuksineen kuten korkea läpilyöntijännite ja erittäin suuri elektronien arkkitiheys.
Näistä järjestelmistä on löydetty myös muita mielenkiintoisia ominaisuuksia, kuten ferrosähköisyyttä, suprajohtavuutta ja negatiivista magnetoresistanssia.
Marraskuu 2017