„Нова електронска и магнетна својства могу се појавити у нискодимензионалним системима, где је кретање електрона ограничено на веома уско подручје”, објашњава проф. др Милан Радовић из Института Паул Шерер (Institute Paul Scherrer, PSI) у Вилигену (Швајцарска).
Разговарали смо са професором Миланом Радовићем о његовом истраживању титаната, и о томе како се њихова својства могу прилагодити и контролисати у нискодимензионалном систему, што отвара шире могућности у оксидној електроници.
Савремена електронска индустрија користи огромне количине силицијума у производњи компоненти за савремене електронске уређаје. Међутим, оксиди прелазних метала (TMOs) имају низ веома занимљивих својстава која се не јављају у силицијуму. Оксиди прелазних метала могу бити изолатори, проводници, магнети, суперпроводници и тако даље, али и да покажу изузетне оптоелектронске особине, каже професор Милан Радовић, научник у Групи за спектроскопију нових материјала у Институту Паул Шерер (Institute Paul Scherrer, PSI) у Швајцарској. Главни проблем у погледу употребе оксида прелазних метала за индустријску примену је да су они у суштини веома скупи као сировине. „Силицијум је широке распрострањен у природном облику али се такође лако узгаја”, истиче наш саговорник. „Оксиди прелазних метала, међутим, укључују неке ретке земље, елементе који су присутни у малим количинама и стога веома скупи те је тешко замислити да ће се уређаји на бази таквих елемената производити у великим индустријским размерама. Они су веома релевантни за посебне потребе и одређене сврхе, рецимо у новој технологији квантног рачунара.”
Милан Радовић је своју истраживачку каријеру започео у Институту за нуклеарне науке „Винча” Универзитета у Београду 2000. Након пет година сели се у Италију где је докторирао на Универзитету Degli Studi di Napoli Federico II, Naples, а 2009. позван на EPFL-Ecole Polytechnique Federale de Laussane и Paul Scherrer Institute. Од 2013. је научник у Paul Scherrer Institute, Швајцарска.
Стронцијум титанат
Као водећи научник на неколико истраживачких пројеката у оквиру PSI, професор Радовић и његов тим сада истражују како да контролишу понашање електрона у титанатима као што је стронцијум титанат (SrTiO3), који је можда и најчешће коришћени оксид прелазних метала. Стронцијум титанат има веома интересантна електрична својства, те професор Радовић жели да стекне дубљи увид у ово једињење, што ће помоћи у постављању темеља за даљи развој оксидне електронике. „Желимо да разумемо како бисмо контролисали и даље побољшали својства овог система”, каже он. Описати електронску структуру је кључно за разумевања својстава и понашања система. „Aко је систем проводан (металичан), онда је и једноставан; међутим уколико постоји јаз између проводих и валентних зона (изолатор), отварају се могућности да модификујете систем да бисте генерисали егзотичнија особине.”
Поменуто истраживање укључује и титанијум диоксид (ТiO2), који се може посматрати као матично једињење титаната. Истраживања професора Радовића углавном су усмерена на вештачке материјале у облику танких филмова дебљине само неколико јединичних ћелија. „Стронцијум (Sr) је елемент који има тенденцију дифузије, сегрегације или интеркалације у оксидној матрици. Због тога смо одлучили да користимо титанијум диоксид који је једноставније једињење и да истражимо ефекат Sr садржајa са циљем да створимо нови систем са другачијим особинама”, истиче професор Радовић.
Фокус истраживања је на нискодимензионалним електронским системима где се електрони слободно крећу у ограниченом подручју што доводи до појаве нове физике и нових особина у циљу употребе за нове технологију. У свом истраживању професор Радовић и колеге у стању su да трансформишу 3-димензионални оксид прелазног метала у 2-димензионални систем. У овом „2-D систему електрони се крећу само у равни. Ово драматично утиче на електронска својства система”, наглашава он. Систем пулсног ласерског таложења се користи за прављење 2-D система (физички то је ултратанак филм) у ономе што је у суштини процес одоздо према горе, који истраживачима даје висок степен слободе.
„Имамо више параметара за комбиновање”, објашњава наш саговорник. „Током раста танког филма можете унети замене или дефекте који последично утичу на кристалну решетку и тако модификујтете систем да бисте генерисали концентрацију носиоца наелектрисања.” Наредни корак је како контролисати и подешавати понашање електрона у матрици. Ово се може остварити постављањем два оксида у непосредну близину са 2-D електронским гасом на њиховом споју, који је онда подложан утицају промена које се контролишу у два градивна материјала. „Тамо где су два материјала у непосредној близини један другом могуће пренети одређена својства са једног материјала на други”, додаје професор Радовић. Ово отвара могућност ефикасног прилагођавања електронских и магнетних својстава система што је узбудљива перспектива релевантна за широк спектар технолошких примена. „Ако се, на пример, феромагнетни материјал стави у близину немагнетног тада се у једињењу од интереса појављују додатна својства. Тако можемо да утичемо на понашање суседног комплекса”, објашњава професор Милан Радовић.
Оксиди прелазних метала могу бити метални, изолациони или обоје. Могу бити магнетни, суперпроводни, а могу се користити и за оптоелектронику.
Главни аспекти који се могу променити и контролисати у систему су електронска густина, електронске корелације и електронска структура. „Разумети и описати електронску структуру је вероватно и најважније од поменута три аспекта. Она нам открива колико могућих стања и могућности постоји у систему у којем се електрони крећу”, наглашава он.
Индустријске примене
Постоји широк спектар потенцијалних примена ових оксида прелазних метала при чему истраживачи испитују како се нови квантни материјали могу користити у следећој генерацији уређеја. Нова квантна технологија која користи спин и налекетрисање обећава револуционарни напредак у елетроници. „Тополошки ТМО са својим фасцинатним електронским особинама су платформе за квантне рачунаре у развоју”, подсећа овај научник. Циљ професора Радовића и колега неће бити да заправо произведу нове уређаје, већ да развију дубље разумевање ових прелазних металних оксида. „Ако неко жели да користи ове титанате као 2-D електронске платформе, онда можемо описати шта је корисно, који су недостаци, а и да укажемо на шире могућности. Када имате рецепт за танке филмове онда је производња уређаја иза ћошка”, тумачи он.
Агенда истраживања, такође, укључује друге материјае, осим титаната, са великим технолошким потенцијалом, као што су никелати, манганати, а и оксиди базирани на бакру и иридијиму. У суштини приступи и методе које професор Радовћ користи су универзални за различите оксида. „Манипулација са њима у облику танких филмова може значајно да промени критична својства оксида прелазних метала”, наглашава он.
Уједињена контрола над густоћом напуњења и спинским стањем нискодимензионалног електронског система у титанатима
Циљеви пројекта
Интеракција орбиталне корелације наелектрисања спин-орбитног спрега и дисторзије решетке у оксидима прелазних метала (TMOs) доводе до сложених дводимензионалних електронских стања (2 DES) типизованих са фасцинатним својствима. Разумевање, контрола и прилагођавање електронских својстава TMOs површина и интерфејса генерално обавезни су за даљи развој нових квантних уређаја
(Превела са енглеског Јелена Јовановић)
(Извор EU Research and cite as EU Research WIN21/P48:
https://issuu.com/euresearcher/docs/the_united_control_over_charge_density_and_spin_st)
