Metaaloxidatie wordt gebruikt in veel industriële toepassingen. KAUST-onderzoekers hebben de grens tussen twee metaaloxiden gemodelleerd om hun metallische eigenschappen te onthullen, wat zou kunnen leiden tot positieve toepassingen in de elektronica.

Onze vertrouwdheid met roest, die optreedt door de oxidatie van ijzer om het schilferig en zwak te maken, betekent dat we oxidatie van metalen meestal als schadelijk beschouwen. Maar sommige metaaloxiden zijn nuttig. Bijvoorbeeld, ze hebben een groot potentieel in elektronica omdat ze zowel transparant als flexibel kunnen zijn. Ze kunnen magnetische eigenschappen vertonen, die de deur opent naar high-performance, ultrasnelle computergeheugens. Ze kunnen gevoelig zijn voor hun omgeving, waardoor ze bruikbaar zijn voor gassensoren.

Onlangs, het potentieel van halfgeleidend tinmonoxide (SnO) voor elektronische toepassingen werd onthuld toen wetenschappers van KAUST een recordhoge mobiliteit vaststelden, wat verwijst naar hoe gemakkelijk een ladingdragend deeltje door het materiaal kan reizen. In dit geval, de ladingsdragers waren geen elektronen, maar gaten. Gaten gedragen zich zeer vergelijkbaar met elektronen, maar ze dragen een positieve in plaats van een negatieve elektrische lading.

Het verkrijgen van zuiver tinmonoxide is een uitdaging omdat het fabricageproces vaak ook tindioxide (SnO2) creëert. In het algemeen, het grensvlak tussen twee oxiden kan gastheer zijn voor een breed scala aan exotische fysica, van supergeleiding naar ferro-elektriciteit, terwijl de eigenschappen van het grensvlak tussen tinmonoxide en tindioxide grotendeels onbekend zijn.

Arwa Albar, nu een assistent-professor aan de King Abdulaziz University, deed dit werk als onderdeel van haar Ph.D. studeert aan KAUST, samen met Hassan Ali Tahini en haar begeleider, Udo Schwingenschlögl. De wetenschappers hebben de grens tussen de twee oxiden theoretisch gemodelleerd met behulp van de zogenaamde dichtheidsfunctionaaltheorie. Met deze techniek waren ze in staat om de dichtheid van elektrische lading op het grensvlak voor verschillende atomaire rangschikkingen te bepalen. Ze toonden aan dat de grens vrij bewegende gaten kan ondersteunen in wat bekend staat als een kwantumgas, wat de interface een metaalachtig karakter geeft.

"Het nieuwe model voorspelt nauwkeurig de hoeveelheid lading op de interface, ’ bevestigt Albar.

Kwantumgassen zijn al geïdentificeerd op oxide-interfaces in andere materiaalsystemen. Ze kunnen ontstaan ​​als gevolg van een discontinuïteit in de besturing tussen twee materialen.

"De vorming van kwantumgas wordt verklaard door een mechanisme dat bekend staat als polaire catastrofe, waarbij de elektronen zichzelf rangschikken om een ​​divergentie in elektrostatische potentiaal te voorkomen, ", zegt Schwingenschlögl. Wat ongebruikelijk is aan het tinmonoxide-dioxide-interface is dat het zo'n discontinuïteit in de leiding mist. "In plaats daarvan, de hoeveelheid lading per interfacegebied is verschillend aan de twee zijden van de interface, " legt Schwingenschlögl uit. "We noemen dit 'discontinuïteit van de ladingsdichtheid' in plaats van de conventionele 'discontinuïteit van de lading'."

Het team voorspelt dat ditzelfde fenomeen zich ook kan voordoen in andere combinaties van materialen. "Het zal nodig zijn om te onderzoeken hoe de eigenschappen van het kwantumgas kunnen worden gecontroleerd, ", zegt Schwingenschlögl.