Группа ученых из известной Тихоокеанской северо – западной Национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory) недавно разработала инновационный метод управления электрическим током на границе контакта ультратонких слоев окислов металлов. Данный прорыв достигается за счет модификации состава этих слоев, которые в своем исходном состоянии не обладают электропроводностью. Полученные таким образом новые результаты представляют собой весьма значительный шаг вперед в области тонкопленочной электроники, которая предполагает создание устройств из материалов с контролируемыми свойствами. Разработка новых материалов для будущих поколений электронных устройств, таких как мобильные телефоны и портативные компьютеры, является актуальной задачей. Эти материалы должны сохранять свои характеристики при миниатюризации компонентов и обеспечивать повышенную энергоэффективность по сравнению с уже существующими и повсеместно используемыми материалами.
Сверхтонкие слои окиси неодима-титана (NdTiO3) и окиси титана-стронция (SrTiO3) были осаждены на основание при помощи ионных лучей, состоящих из ионов титана, стронция и кислорода. Весь этот процесс проводился в условиях очень глубокого вакуума. Подложка была изготовлена из специального прозрачного кристаллического материала, структура которого обеспечивала необходимый порядок кристаллизации осаждаемых компонентов. А высокая точность управления ионными лучами обеспечила создание структуры многослойного материала с точностью до отдельных его атомов.
После создания материала исследователи произвели подробные измерения всех его доступных характеристик и параметров. Кроме этого, некоторые из использованных методов, в частности рентгеновская фотоэлектронная спектрография (x-ray photoelectron spectra, XPS), для анализа полученных при их помощи данных потребовали расчетов сложнейших математических моделей. Эти математические модели обеспечили ученых данными о том, как изменения в составе слоев материала, условия выращивания пленок и условия окружающей среды влияют на электронные свойства ионов титана и, как следствие, многослойного материала в целом.
Результаты, полученные ученым, достаточно уникальны, ведь свойства, которые демонстрирует многослойный материал, не наблюдается ни у одного материала естественного происхождения. Этот материал можно рассматривать как своего рода двухмерный электронный “газ”, концентрация носителей заряда в котором достаточно легко поддается управлению. А обладая такими знаниями, исследователи без особых затруднений смогут спроектировать материалы в необходимой концентрацией и высокой подвижностью носителей заряда различной природы, из которых можно будет производить сверхминиатюрные транзисторы следующего поколения.
Следующим шагом, который намерены сделать ученые, станет точное определение структуры границы между слоями NdTiO3 и SrTiO3. Ведь именно на этой границе и возникают все необычные эффекты, которые определяют плотность свободных электронов, их подвижность и другие параметры материала.
Следует отметить, что двумерный электронный газ (ДЭГ) широко применяется в электронике благодаря нескольким свойствам:
- Высокая подвижность электронов. В ДЭГ этот параметр заметно превышает подвижность в монокристаллах. Длина свободного пробега электронов достигает нескольких сотен нанометров. Это позволяет значительно увеличить рабочие частоты полупроводниковых приборов, прежде всего транзисторов.
- Отсутствие примесных атомов. В тонкую область, где формируется ДЭГ, практически не попадает примесных атомов, являющихся центрами рассеяния электронов.
- Возможность контроля концентрации носителей. Концентрацию носителей в ДЭГ можно контролировать при помощи управляющих электродов.
- Благодаря свойствам ДЭГ возможно создание высокотемпературных сверхпроводников, экзотической наноэлектроники и новых способов передачи информации.
