Sommige metaaloxiden, zoals nikkelaten, een afstembare weerstand hebben, wat ze een interessant materiaal maakt voor aanpasbare elektronica en cognitieve informatica. Deze materialen kunnen van aard veranderen van metaalachtig naar isolerend. Hoe deze metaal-isolator overgang precies plaatsvindt, is een onderwerp van groot belang in de fysica van de gecondenseerde materie. Echter, zelfs het metallische gedrag in nikkelaten lijkt ongebruikelijk. Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen, samen met collega's uit Spanje, hebben nu ontdekt dat het niet zo complex is als eerder werd aangenomen. De resultaten zijn op 11 juni gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

In een metalen, elektronen kunnen vrij bewegen, terwijl in isolatoren, ze zijn sterk gelokaliseerd rond de atoomkernen. Wanneer een metaal wordt verwarmd, de trillingen van de ionen (de zogenaamde fononen) verstrooien de bewegende elektronen en verhogen de soortelijke weerstand. In tegenstelling tot, verwarming kan geleidbaarheid genereren in sommige isolatoren, wanneer elektronen voldoende energie ontvangen om te worden vrijgegeven en de energiebandkloof oversteken die anders voorkomt dat ze bewegen.

Exotische verklaringen

"In sommige oxiden, zoals nikkelaten, een overgang van isolator naar metaal kan optreden, maar het is niet duidelijk hoe dit komt, " zegt Beatriz Noheda, hoogleraar functionele nanomaterialen en directeur van het Groningen Cognitive Systems and Materials Centre (CogniGron) aan de Rijksuniversiteit Groningen. Zij en haar Ph.D. student Qikai Guo is geïnteresseerd in nikkelaten omdat het mogelijk is om hun soortelijke weerstand af te stemmen. Ze kunnen worden gebruikt in apparaten die de manier waarop synapsen in onze hersenen werken nabootsen.

"Voordat we dit kunnen doen, we moeten begrijpen wat de aard van de eenvoudigste staat is, de metaaltoestand, is. Dit betekent begrijpen hoe elektronen in het materiaal bewegen wanneer er een elektrisch veld op wordt toegepast, " legt Noheda uit. Een lineaire verandering in soortelijke weerstand (een exponent van 1 in de curve die de soortelijke weerstand als functie van de temperatuur weergeeft) kan worden verklaard door een eenvoudig model waarin de elektronen worden belemmerd door de trilling van de ionen. "Echter, voor een exponent die niet 1 is, meer exotische verklaringen zijn gesuggereerd, gebaseerd op de aanwezigheid van fluctuaties in de spins van de nikkelelektronen en elektron-elektron-interacties die optreden wanneer het systeem dicht bij een kwantumkritisch punt is."

Deformatie

Echter, in dunne films van neodymiumnikkelaat (NdNiO ₃ ), Noheda en haar team merkten op dat de exponent 1 was in sommige monsters, terwijl in andere monsters van hetzelfde materiaal, het was niet. Dit suggereert dat de exponent geen intrinsieke eigenschap is. Noheda:"Dat bracht ons ertoe om systematisch te kijken naar monsters die op verschillende substraten zijn gekweekt." De resultaten toonden aan dat in perfecte films, de exponent is 1, wat betekent dat de soortelijke weerstand wordt veroorzaakt door fononen, zoals het is in normale metalen. Echter, wanneer het gebruikte substraat spanning in de dunne film induceert, de exponent verandert.

De spanning leidt tot zuurstofvacatures in de kristallen en verandert de krachten tussen de ionen en, daarom, de elektronische energieën. Dat, beurtelings, verandert de soortelijke weerstand van het materiaal. "Wat we hebben ontdekt, is dat we het aantal vacatures kunnen regelen en de weerstandsexponent naar believen continu kunnen afstemmen, dat is een afstemknop waarvan we niet wisten dat we die hadden. Dus, het begrijpen van de metaaltoestand in deze nikkelaten vereist mogelijk geen exotische elektron-elektron-interacties, ’ concludeert Noheda.

Synaptische apparaten

Leren hoe de metaaltoestand te beheersen en de overgang naar de isolatortoestand zal wetenschappers helpen om elektronica te ontwerpen op basis van nikkelaten, die de manier waarop neuronen werken kan nabootsen. Dat is het uiteindelijke doel van Noheda en haar team. "We weten nu dat deze nikkelaten meer lijken op normale metalen dan we eerder dachten. Dit betekent dat ze behoorlijk goede geleiders kunnen zijn als we ervoor zorgen dat er geen ionenvacatures in het kristal zijn. Op deze manier kunnen we de overgang naar de isolerende fase zorgt voor grotere weerstandsveranderingen, wat leidt tot synaptische apparaten met verbeterde plasticiteit."

Bij deze experimenten de verandering in soortelijke weerstand in deze nikkelaten werd veroorzaakt door een verhoging van de temperatuur. "Dit is natuurlijk niet ideaal als je een apparaat wilt maken. Onze volgende stap is om het materiaal zo te ontwerpen dat we de weerstand kunnen afstemmen met behulp van een elektrisch veld, ’ concludeert Noheda.