Northwestern Engineering-onderzoekers hebben een nieuwe ontwerpstrategie ontwikkeld om nieuwe materialen te identificeren die een metaal-isolatorovergang (MIT) vertonen, een zeldzame klasse van materialen gecategoriseerd door hun vermogen om omkeerbaar te schakelen tussen elektrisch geleidende en isolerende toestanden.

De nieuwe methode zou het toekomstige ontwerp en de levering van snellere micro-elektronica met meer opslagmogelijkheden een boost kunnen geven, evenals platforms voor kwantummaterialen voor toekomstige elektronica.

"Onze aanpak maakt gebruik van anionsubstitutie op atomaire schaal en de herkenning van belangrijke MIT-eigenschappen om potentiële heteroanionische MIT-materialen te identificeren, die tot nu toe niet algemeen zijn overwogen, " zei James Rondinelli, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering en de Morris E. Fine Junior Professor in Materials and Manufacturing aan de McCormick School of Engineering, die het team leidde. "We hopen door het formuleren van deze elektronische structuur-eigenschapsrelaties, in de toekomst kunnen nieuwe transities in kwantummaterialen worden ontworpen."

Een document waarin het werk wordt beschreven, getiteld "Ontwerp van heteroanionische maan met een overgang van Peierls metaal-isolator, " werd op 3 december gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Rondinelli was co-corresponderende auteur van de krant, samen met Danilo Puggioni, een onderzoeksassistent-professor bij de afdeling Materials Science and Engineering.

Met behulp van kwantummechanische computersimulaties in Northwestern's Quest High Performance Computing Cluster, Rondinelli en onderzoekers ontwierpen de kristallijne structuur op picoschaal van het nieuwe materiaal, genaamd molybdeen oxynitride (MoON), om de faseovergang te organiseren. De onderzoekers ontdekten dat de MIT plaatsvond in de buurt van 600 graden Celsius, het onthullen van zijn potentieel voor toepassingen in sensoren voor hoge temperaturen en vermogenselektronica.

De groep merkte op dat meerdere ontwerpparameters de faseovergang van MoON beïnvloedden. De opname van meerdere anionen in het materiaal - in dit geval negatief geladen zuurstof- en stikstofionen - activeerden de faseovergang vanwege specifieke elektronenconfiguraties die verband houden met de ruimtelijke oriëntatie van elektronische orbitalen, ter ondersteuning van eerdere bevindingen in andere binaire MIT-materialen. In aanvulling, De flexibele rutielkristalstructuur van MoON zorgde voor omkeerbaarheid tussen elektrisch geleidende en isolerende toestanden.

De bevindingen bieden inzicht in hoe subtiele veranderingen op nanoschaal kunnen worden gebruikt om macroscopisch gedrag, zoals geleidbaarheid, in materialen te beheersen.

"Er is het afgelopen decennium veel werk verzet om MIT-materialen te begrijpen en nieuwe te ontdekken; er zijn momenteel minder dan 70 unieke verbindingen bekend die deze thermische overgang vertonen, " zei Rondinelli. "We belichaamden de belangrijkste kenmerken van MIT-materialen, inclusief bepaalde structurele kenmerken op picoschaal, evenals de cruciale d1-elektronenconfiguratie, in ons ontwerp. Ons project maakt gebruik van een manier waarop wij en anderen belangrijke ontwerpconcepten van het eerste principe kunnen gebruiken om de MIT-faseruimte uit te breiden en effectief nieuwe MIT-materialen na te streven."

Wetenschappers hopen door het formuleren van deze elektronische structuur-eigenschap relaties, in de toekomst kunnen nieuwe transities in kwantummaterialen worden ontworpen. Deze verbindingen zijn bruikbaar als actieve laag voor transistors of in geheugentoepassingen.

"MIT-materialen vertegenwoordigen een klasse van faseovergangen die vooruitgang in informatieverwerking en -opslag mogelijk maken die verder gaat dan conventionele complementaire metaaloxide-halfgeleiderschaling in micro-elektronica, "Zei Rondinelli. "Dit vertaalt zich in snellere apparaten met meer opslagmogelijkheden. In aanvulling, MIT-materialen kunnen micro-elektronische systemen met een laag vermogen mogelijk maken, wat betekent dat u uw apparaat minder vaak hoeft op te laden, omdat het langer meegaat omdat de componenten minder stroom nodig hebben."