Cristalización de óxidos mediante bombardeo

La ciencia de materiales tiene como objetivo mejorar las propiedades de los materiales utilizados en dispositivos existentes o abrir nuevos nichos de mercado a partir del descubrimiento de nuevos fenómenos físicos. Los óxidos son unos compuestos relativamente poco estudiados que muestran una emergente importancia tecnológica debido a su amplio rango de aplicaciones en nuevos dispositivos electrónicos. En este ámbito, las peculiaridades más importantes de los óxidos frente a los semiconductores, mucho mejor estudiados, estriban en una menor longitud de confinamiento electrónico, mayor densidad de portadores por unidad de área y gran correlación electrónica lo que proporciona mayor complejidad de fenómenos pero también una gran variedad y versatilidad de propiedades físicas interrelacionadas. En particular cabe destacar el TiO2, probablemente el óxido más investigado, que se estudia actualmente para uso en futuros dispositivos como capa transparente y conductora o en mecanismos de cambio de resistencia (resistive switching).

Las propiedades electrónicas, y en general cualquier propiedad de los materiales, está determinada fundamentalmente por los fenómenos que ocurren en la escala atómica. Actualmente las técnicas disponibles en ciencia de materiales ofrecen una gran precisión en el crecimiento ordenado de heteroestructuras y en la modificación del entorno atómico y, por tanto, permiten obtener propiedades específicas del sistema. En particular la técnica de bombardeo iónico de bajas energías (LEIB, Low Energy Ion Bombardment) es una herramienta comúnmente utilizada para la generación controlada de defectos en las superficies. Mediante este cambio estructural inducido se obtienen respuestas más apropiadas de las propiedades eléctricas y ópticas en superficies y de esta forma se mejoran las propiedades de emisión de luz y magnetotransporte. No obstante la modificación estructural creada por el LEIB no había sido totalmente caracterizada, siendo generalmente atribuida una amorfización del material debido a las vacantes de oxígeno.

En el trabajo realizado por Rodríguez de la Fuente et al. se muestra que no sólo es posible una amorfización del TiO2, debida a la presencia de defectos, sino que bajo las condiciones apropiadas la transformación estructural y química del óxido TiO2, con estructura rutilo, al óxido TiO con estructura de cloruro sódico, en registro con el substrato, está también al alcance. Una caracterización completa de la estructura atómica ha sido realizada mediante técnicas de microscopía y de difracción, al igual que se proporciona una racionalización del origen de dicha transformación mediante la simulación de heterostructuras TiO2-TiO. En particular la gran compatibilidad estructural y química entre el TiO2 y el TiO favorece la transformación de fase entre ambos óxidos y la creación de una intercara muy abrupta. Además de la relevancia estructural, las propiedades electrónicas son interesantes ya que indican la existencia de una transición aislante-metal.

El trabajo, publicado en Nature Communications, ha sido el primero en mostrar que con técnicas tan comunes como el LEIB cualquier grupo de investigación de materiales puede tener a su disposición una herramienta para crecer heteroestructuras con un alto grado de registro entre los compuestos. En general esto abre las puertas a la formación de heteroestructuras entre diferentes óxidos del mismo catión con propiedades electrónicas muy diferentes y que, por lo tanto, proponen potencialmente una mayor variedad de fenómenos utilizables en dispositivos.

Figura. La imagen de fondo corresponde a microscopía de campo oscuro anular de alto ángulo (HADF) (Z-contrast), las imágenes superiores a mapas HK en el espacio recíproco donde se aprecia el alto grado de coherencia entre las redes del TiO2-rutilo y la capa bombardeada. La imagen inferior derecha es un aumento del HADF y el modelo de simulación correspondiente para la heterostructura TiO2-rutilo/TiO-cúbico. Juan I. Beltrán, UCM

Figura. La imagen de fondo corresponde a microscopía de campo oscuro anular de alto ángulo (HADF) (Z-contrast), las imágenes superiores a mapas HK en el espacio recíproco donde se aprecia el alto grado de coherencia entre las redes del TiO2-rutilo y la capa bombardeada. La imagen inferior derecha es un aumento del HADF y el modelo de simulación correspondiente para la heterostructura TiO2-rutilo/TiO-cúbico. Juan I. Beltrán, UCM

“Formation of ​titanium monoxide (001) single-crystalline thin film induced by ion bombardment of ​titanium dioxide (110)”, B.M. Pabón, J.I. Beltrán, G. Sánchez-SantolinoI. PalacioJ. López-SánchezJ. Rubio-ZuazoJ.M. RojoP. FerrerA. MascaraqueM.C. MuñozM. VarelaG.R. Castro, O. Rodríguez de la Fuente, NATURE COMMUNICATIONS 6, 6147 (2015)

Juan I. Beltrán, GFMC e Instituto Pluridisciplinar, Universidad Complutense de Madrid.