Soms zijn er technische mankementen, zoals onvolkomenheden in het kristalrooster van een materiaal, kan daadwerkelijk veranderingen in eigenschappen veroorzaken die nieuwe soorten nuttige toepassingen openen. Nieuw onderzoek van een team van MIT toont aan dat dergelijke onvolkomenheden in een familie van materialen die bekend staan ​​als isolerende metaaloxiden de sleutel kunnen zijn tot hun prestaties voor een verscheidenheid aan hightech-toepassingen, zoals niet-vluchtige geheugenchips en energieconversietechnologieën.

De bevindingen worden deze week gerapporteerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , in een paper van MIT Associate Professor Bilge Yildiz, Professor en Associate Provost Krystyn Van Vliet, en voormalig postdoc Mostafa Youssef.

Deze metaaloxidematerialen zijn door veel onderzoekers onderzocht, Yildiz zegt, en "hun eigenschappen worden sterk bepaald door het aantal en het soort defecten dat aanwezig is." Wanneer onderworpen aan sterke drijvende krachten, zoals sterke elektrische velden, "het gedrag van dergelijke gebreken was niet goed begrepen, " ze zegt.

Onderzoekers hebben een goed ingeburgerd theoretisch begrip van hoe perfect gestructureerde versies van deze isolerende metaaloxiden functioneren onder verschillende omstandigheden, zoals in sterke elektrische velden, maar er was geen dergelijke theorie om de materialen te beschrijven als ze veelvoorkomende soorten defecten bevatten, volgens Yildiz. Het kwantitatief begrijpen van deze effecten is belangrijk om deze veelbelovende familie van materialen te ontwikkelen voor mogelijke toepassingen, waaronder nieuwe soorten energiezuinige computergeheugens en verwerkingsapparatuur, elektrisch gebaseerde koeling, en elektrokatalytische apparaten voor energieomzetting, zoals brandstofcellen.

Het team demonstreerde een theoretisch kader en liet zien hoe de stabiliteit en structuur van een puntdefect verandert onder sterke elektrische velden. Ze namen een veelvoorkomend defect dat een neutrale zuurstofvacature wordt genoemd - een plaats waar een zuurstofatoom in het rooster zou moeten verschijnen, maar in plaats daarvan zitten twee elektronen vast. Hun resultaten hebben het polarisatiegedrag van het materiaal met dit defect gekwantificeerd, in een elektrisch veld.

"Vooral de zuurstofvacatures zijn erg belangrijk in elektronische en elektrochemische toepassingen, " zegt Yildiz, die gezamenlijke aanstellingen heeft in de afdelingen Nuclear Science and Engineering en Materials Science and Engineering.

In veel van deze toepassingen ze zegt, er kan een interne spanningsgradiënt ontstaan ​​in het dunnefilmmateriaal, en deze "elektrische potentiaal" gradiënt veroorzaakt sterke elektrische velden. Het begrijpen van de effecten van die velden is essentieel voor het ontwerp van bepaalde nieuwe apparaten.

"Het meeste werk op dit gebied is experimenteel, " zegt Yildiz. "Je neemt een dunne film, je zet het in een elektrisch veld, en je doet metingen." Maar in dergelijke experimenten, de effecten van de lokale elektrische potentiaal en het elektrische veld zijn ingewikkeld, waardoor het erg moeilijk is om de resultaten te begrijpen. "Het is onmogelijk om ze van elkaar op te lossen, dus je moet een theorie hebben om de effecten te verklaren, zij voegt toe.

De onderzoekers hebben nu een nieuw theoretisch raamwerk bedacht waarmee ze het elektrische veldeffect kunnen isoleren van het elektrische potentiaaleffect, en beide onafhankelijk te kwantificeren. Dit stelde hen in staat zeer specifieke voorspellingen te doen die verschillen van de klassieke theorie en zou het mogelijk moeten maken om het nieuwe model binnen een jaar experimenteel te valideren, zegt Yildiz.

De bevindingen moeten helpen bij de ontwikkeling van enkele belangrijke potentiële toepassingen, ze zegt. Een daarvan is in een nieuw type computergeheugenapparaat dat bekend staat als resistief schakelgeheugen, die snelle schakelsnelheden biedt met zeer weinig energie. Deze geheugenapparaten zijn afhankelijk van de aanwezigheid van defecten.

"De manier waarop ze hun weerstandsstatus veranderen [om gegevens vast te leggen] hangt af van het type defect, inhoud, en distributie, " zegt ze. "Om het gedrag van het apparaat te modelleren, je zou in staat moeten zijn om te modelleren hoe de aangelegde sterke elektrische velden de defectstructuur veranderen, concentratie, en distributie." Dat is wat dit nieuwe werk mogelijk maakt:"Als je de effecten van zowel het potentieel als het veld kwantitatief kent, dan kun je je bedrijfsomstandigheden zo ontwerpen dat je van deze effecten profiteert."

Het begrijpen van deze effecten is ook belangrijk voor andere toepassingen, zoals het splitsen van watermoleculen om waterstof te produceren op grensvlakken tussen vaste en vloeibare stoffen, elektronische apparaten die afhankelijk zijn van oxide-oxide-interfaces, of andere elektrochemische processen waarbij deze materialen als katalysatoren worden gebruikt, waar defecten dienen als de sites die de interacties mogelijk maken.

De materialen die het team bestudeerde behoren tot een klasse die bekend staat als aardalkalimetaal binaire oxiden, waarvan de bestanddelen "tot de meest voorkomende klasse van materialen op aarde behoren, " zegt Yildiz. "[Deze les is] goedkoop, overvloedig, en heeft afstembare eigenschappen, " waardoor het veelbelovend is voor veel toepassingen. Maar ze voegt eraan toe dat de theoretische benadering die ze hebben gevolgd nu veel breder zal worden toegepast, aan vele andere soorten oxidematerialen en aan andere soorten defecten daarin naast de neutrale zuurstofvacatures.

"Dit werk vestigt een nieuw paradigma voor de studie van defecten in halfgeleiders, door de nodige wiskunde op te zetten voor de berekening van de defectvormingsenergie in elektrisch gestimuleerde defecte kristallen, " zegt Cesare Franchini, een universitair hoofddocent computationele materiaalfysica aan de Universiteit van Wenen, die niet bij dit werk betrokken was. "Dit werk breidt de huidige theorieën uit die thermodynamica verbinden met elektrische polarisatie, en zal gunstig zijn voor vrijwel alle toepassingen waarin defecten (en hun afstembaarheid door elektrische stimuli) een troef zijn, inclusief katalyse, elektronica, en elektrocalorische apparaten."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.