„Nova elektronska i magnetna svojstva mogu se pojaviti u niskodimenzionalnim sistemima, gde je kretanje elektrona ograničeno na veoma usko područje”, objašnjava prof. dr Milan Radović iz Instituta Paul Šerer (Institute Paul Scherrer, PSI) u Viligenu (Švajcarska).
Razgovarali smo sa profesorom Milanom Radovićem o njegovom istraživanju titanata, i o tome kako se njihova svojstva mogu prilagoditi i kontrolisati u niskodimenzionalnom sistemu, što otvara šire mogućnosti u oksidnoj elektronici.
Savremena elektronska industrija koristi ogromne količine silicijuma u proizvodnji komponentiza savremene elektronske uređaje. Međutim, oksidi prelaznih metala (TMOs) imaju niz veoma zanimljivih svojstava koja se ne javljaju u silicijumu. Oksidi prelaznih metala mogu biti izolatori, provodnici, magneti, superprovodnici i tako dalje, ali i da pokažuizuzetne optoelektronske osobine, kaže profesor Milan Radović, naučnik u Grupi za spektroskopiju novih materijala u Institutu Paul Šerer(Institute Paul Scherrer, PSI) u Švajcarskoj. Glavni problem u pogledu upotrebe oksida prelaznih metala za industrijsku primenu je da su oni u suštini veoma skupi kao sirovine. „Silicijum je široke rasprostranjen u prirodnom obliku ali setakođe lako uzgaja”, ističe naš sagovornik. „Oksidi prelaznih metala, međutim, uključuju neke retke zemlje, elemente koji su prisutni u malim količinama i stoga veoma skupi te je teško zamisliti da će se uređaji na bazi takvih elemenata proizvoditi u velikim industrijskim razmerama.Oni su veoma relevantni za posebne potrebe i određene svrhe, recimo u novoj tehnologiji kvantnog računara.”
Milan Radović je svoju istraživačku karijeru započeo u Institutu za nuklearne nauke „Vinča” Univerziteta u Beogradu 2000. Nakon pet godina seli se u Italiju gde je doktorirao na Univerzitetu Degli Studi di Napoli Federico II, Naples, a 2009. pozvan na EPFL-Ecole Polytechnique Federale de Laussane i Paul Scherrer Institute. Od 2013. je naučnik u Paul Scherrer Institute, Švajcarska.
Stroncijum titanat
Kao vodeći naučnik na nekoliko istraživačkih projekata u okviru PSI, profesor Radović i njegov tim sada istražuju kako da kontrolišu ponašanje elektrona u titanatima kao što je stroncijum titanat (SrTiO3), koji je možda i najčešće korišćeni oksid prelaznih metala. Stroncijum titanat ima veoma interesantna električna svojstva, te profesor Radović želi da stekne dublji uvid u ovo jedinjenje, što će pomoći u postavljanju temelja za dalji razvoj oksidne elektronike. „Želimo da razumemo kako bismo kontrolisali i dalje poboljšali svojstva ovog sistema”, kaže on. Opisati elektronsku strukturu je ključno za razumevanja svojstava i ponašanja sistema. „Ako je sistem provodan (metaličan),onda je i jednostavan;međutim ukoliko postoji jaz između provodih i valentnih zona (izolator), otvaraju se mogućnosti da modifikujete sistem da biste generisali egzotičnija osobine.”
Pomenuto istraživanje uključuje i titanijum dioksid (TiO2), koji se može posmatrati kao matično jedinjenje titanata. Istraživanja profesora Radovića uglavnom su usmerena na veštačke materijale u obliku tankih filmova debljine samo nekoliko jediničnih ćelija. „Stroncijum (Sr) je element koji ima tendenciju difuzije, segregacije ili interkalacije u oksidnoj matrici. Zbog toga smo odlučili da koristimo titanijum dioksid koji je jednostavnije jedinjenje i da istražimo efekat Sr sadržajasa ciljem da stvorimo novi sistem sa drugačijimosobinama”, ističe profesor Radović.
Fokus istraživanja je na niskodimenzionalnim elektronskim sistemima gde se elektroni slobodno kreću u ograničenom području što dovodi do pojave nove fizike i novih osobina u cilju upotrebe za nove tehnologiju. U svom istraživanju profesor Radović i kolege u stanju su da transformišu 3-dimenzionalni oksid prelaznog metala u 2-dimenzionalni sistem. U ovom „2-D sistemu elektroni se kreću samo u ravni. Ovo dramatično utiče na elektronska svojstva sistema”, naglašava on. Sistem pulsnog laserskog taloženja se koristi za pravljenje 2-D sistema (fizički to je ultratanak film) u onome što je u suštini proces odozdo prema gore, koji istraživačima daje visok stepen slobode.
„Imamo više parametara za kombinovanje”, objašnjava naš sagovornik. „Tokom rasta tankog filma možete uneti zamene ili defekte koji posledično utiču na kristalnu rešetku i tako modifikujtete sistem da biste generisali koncentraciju nosioca naelektrisanja.”Naredni korak je kako kontrolisati i podešavati ponašanje elektrona u matrici. Ovo se može ostvaritipostavljanjem dva oksida u neposrednu blizinu sa 2-D elektronskim gasom na njihovom spoju, koji je onda podložan uticaju promena koje se kontrolišu u dva gradivna materijala. „Tamo gde su dva materijala u neposrednoj blizini jedan drugom moguće preneti određena svojstva sa jednog materijala na drugi”, dodaje profesor Radović. Ovo otvara mogućnost efikasnog prilagođavanja elektronskih i magnetnih svojstava sistema što je uzbudljiva perspektiva relevantna za širok spektar tehnoloških primena. „Ako se, na primer, feromagnetni materijal stavi u blizinu nemagnetnog tada se u jedinjenju od interesa pojavljuju dodatna svojstva. Tako možemo da utičemo na ponašanje susednog kompleksa”, objašnjava profesor Milan Radović.
Oksidi prelaznih metala mogu biti metalni, izolacioni ili oboje. Mogu biti magnetni, superprovodni, a mogu se koristiti i za optoelektroniku.
Glavni aspekti koji se mogu promeniti i kontrolisati u sistemu su elektronska gustina, elektronske korelacije i elektronska struktura. „Razumeti i opisati elektronsku strukturu je verovatno i najvažnije od pomenuta tri aspekta. Ona namotkriva koliko mogućih stanja i mogućnosti postoji u sistemu u kojem se elektroni kreću”, naglašava on.
Industrijske primene
Postoji širok spektar potencijalnih primena ovih oksida prelaznih metala pri čemu istraživači ispituju kako se novi kvantni materijali mogu koristiti u sledećoj generaciji uređeja. Nova kvantna tehnologija koja koristi spin i naleketrisanje obećava revolucionarni napredak u eletronici. „Topološki TMO sa svojim fascinatnim elektronskim osobinama su platforme za kvantne računare u razvoju”, podseća ovaj naučnik. Cilj profesora Radovića i kolega neće biti da zapravo proizvedu nove uređaje, već da razviju dublje razumevanje ovih prelaznih metalnih oksida. „Ako neko želi da koristi ove titanate kao 2-D elektronske platforme, onda možemo opisati šta je korisno, koji su nedostaci, a i da ukažemo na šire mogućnosti. Kada imate recept za tanke filmove onda je proizvodnja uređaja iza ćoška”, tumači on.
Agenda istraživanja, takođe, uključuje druge materijae, osim titanata, sa velikim tehnološkim potencijalom, kao što su nikelati, manganati, a i oksidi bazirani na bakru i iridijimu.U suštini pristupi i metode koje profesor Radovć koristisu univerzalni za različite oksida. „Manipulacija sa njima u obliku tankih filmova može značajno da promeni kritična svojstva oksida prelaznih metala”, naglašava on.
Ujedinjena kontrola nad gustoćom napunjenja i spinskim stanjem niskodimenzionalnog elektronskog sistema u titanatima
Ciljevi projekta
Interakcija orbitalne korelacije naelektrisanja spin-orbitnog sprega i distorzije rešetke u oksidima prelaznih metala (TMOs) dovode do složenih dvodimenzionalnih elektronskih stanja (2 DES) tipizovanih sa fascinatnim svojstvima. Razumevanje, kontrola i prilagođavanje elektronskih svojstava TMOs površina i interfejsa generalno obavezni su za dalji razvoj novih kvantnih uređaja
(Prevela sa engleskog Jelena Jovanović)
(Izvor EU Research and cite as EU Research WIN21/P48:
https://issuu.com/euresearcher/docs/the_united_control_over_charge_density_and_spin_st)
