Onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison hebben een materiaal gemaakt dat kan overgaan van een elektrisch doorlatend metaal naar een niet-geleidend isolatiemateriaal zonder de atomaire structuur te veranderen.

"Dit is best een opwindende ontdekking, " zegt Chang-Beom Eom, hoogleraar materiaalkunde en techniek. "We hebben een nieuwe methode van elektronisch schakelen gevonden."

Het nieuwe materiaal zou de basis kunnen leggen voor ultrasnelle elektronische apparaten. Eom en zijn internationale team van medewerkers hebben vandaag (30 november, 2018) in het tijdschrift Wetenschap .

Metalen zoals koper of zilver geleiden elektriciteit, terwijl isolatoren zoals rubber of glas geen stroom doorlaten. Sommige materialen, echter, kan overgaan van isolerend naar geleidend.

Deze overgang betekent meestal dat de rangschikking van de atomen van een materiaal en de geleidende elektronen op een gecoördineerde manier moet veranderen, maar de atomaire overgang verloopt doorgaans veel langzamer dan de kleinere, lichtere elektronen die elektriciteit geleiden.

Een materiaal dat kan overschakelen naar het geleiden van elektriciteit zoals een metaal zonder de atomen te verplaatsen, zou de schakelsnelheden van geavanceerde apparaten drastisch kunnen verhogen, zegt Eom.

"De overgang van metaal naar isolator is erg belangrijk voor schakelaars en voor logische apparaten met een één- of een nultoestand, " zegt hij. "We hebben het potentieel om dit concept te gebruiken om zeer snelle schakelingen te maken."

In hun onderzoek hebben Eom en zijn medewerkers beantwoordden een fundamentele vraag die wetenschappers al jaren bezighoudt:kan de elektronische en structurele transitie worden ontkoppeld - in wezen, kunnen de snel veranderende elektronen vanzelf uitbreken en de atomen achterlaten?

Ze gebruikten een materiaal genaamd vanadiumdioxide, dat is een metaal als het wordt verwarmd en een isolator als het op kamertemperatuur is. Bij hoge temperaturen, de atomen waaruit vanadiumdioxide bestaat, zijn gerangschikt in een regelmatig herhalend patroon dat wetenschappers de rutielfase noemen. Wanneer vanadiumdioxide afkoelt om een ​​isolator te worden, zijn atomen nemen een ander patroon aan, monoklinisch genoemd.

Geen van de natuurlijk voorkomende stoffen geleiden elektriciteit wanneer hun atomen zich in de monokliene conformatie bevinden. En het kost tijd voor de atomen om te herschikken wanneer een materiaal de isolator-naar-metaal overgangstemperatuur bereikt.

Cruciaal, vanadiumdioxide gaat over tussen een metaal en een isolator bij verschillende temperaturen, afhankelijk van de hoeveelheid zuurstof die in het materiaal aanwezig is. De onderzoekers gebruikten dat feit om twee dunne lagen vanadiumdioxide te creëren - de ene met een iets lagere overgangstemperatuur dan de andere - op elkaar gesandwiched, met een scherpe interface tussen.

Toen ze de dunne sandwich van vanadiumdioxide verhitten, één laag maakte de structurele overstap om een ​​metaal te worden. Atomen in de andere laag bleven opgesloten in de isolerende monokliene fase. Verrassend genoeg, echter, dat deel van het materiaal geleidt elektriciteit.

Het belangrijkste is, het materiaal bleef stabiel en behield zijn unieke eigenschappen.

Hoewel andere onderzoeksgroepen hebben geprobeerd elektrisch geleidende isolatoren te maken, die materialen verloren bijna onmiddellijk hun eigenschappen - ze bleven slechts femtoseconden bestaan, of een paar duizendsten van een biljoenste van een seconde.

Het materiaal van het Eom-team, echter, is hier om te blijven.

"We hebben het kunnen stabiliseren, waardoor het nuttig is voor echte apparaten, "zegt Eom.

Sleutel tot hun aanpak was de dual-layer, sandwichstructuur. Elke laag was zo dun dat de interface tussen de twee materialen domineerde hoe de hele stapel zich gedroeg. Het is een idee dat Eom en collega's van plan zijn verder te gaan.

"Het ontwerpen van interfaces zou nieuwe materialen kunnen openen, "zegt Eom.

De Wisconsin Alumni Research Foundation helpt de onderzoekers bij het indienen van octrooien.