Wetenschappers zijn al lang gefascineerd door het materiaal vanadiumdioxide, dat bij verhitting of afkoeling kan wisselen tussen een metallische en een isolerende toestand. Deze ongebruikelijke eigenschap heeft potentie voor toepassingen in de elektronica en energieopslag, maar wetenschappers hebben de fundamentele mechanismen achter deze transitie nog niet volledig begrepen.

Nu heeft een team van onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en Stanford University een krachtige röntgenverstrooiingstechniek gebruikt om de atomaire structuur van vanadiumdioxide tijdens deze transitie te onderzoeken. Hun bevindingen, gepubliceerd in Nature Materials, onthullen een nieuw begrip van hoe de atomen van het materiaal zich herschikken terwijl het van toestand verandert en kunnen wetenschappers helpen materialen met vergelijkbare eigenschappen voor specifieke toepassingen te ontwerpen.

"Vanadiumdioxide is een opwindend materiaal vanwege zijn potentieel voor toepassingen, maar het gedrag ervan was een puzzel", zegt SLAC-stafwetenschapper Giulia Mancini, die het onderzoek leidde. "We wilden begrijpen waarom het overschakelt van een metaal naar een isolator en wat de atomaire mechanismen achter die verandering zijn."

Bij verhitting tot boven een bepaalde temperatuur ondergaat vanadiumdioxide een structurele transformatie waarbij de atomen in het kristalrooster zich plotseling herschikken. Deze verandering zorgt ervoor dat het materiaal zijn metallische eigenschappen verliest en een isolator wordt, wat betekent dat het de elektriciteit niet langer goed geleidt.

De onderzoekers gebruikten SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), een vrije-elektronenlaser die extreem intense röntgenpulsen produceert, om de atomaire structuur van vanadiumdioxide te bestuderen terwijl het deze overgang ondergaat. Door deze pulsen op monsters van het materiaal af te vuren, konden ze met ongekende details momentopnamen van de atomaire posities maken.

Hun resultaten toonden aan dat de herschikking een subtiele verandering met zich meebrengt in de helling van de vanadium-zuurstof-octaëders, de bouwstenen van het kristalrooster. Deze kleine aanpassing veroorzaakt een verandering in de elektronische eigenschappen van het materiaal, wat leidt tot de overstap van metaal naar isolator.

"Tot onze verbazing zagen we een nieuwe tussenfase in de transitie van het materiaal", zegt hoofdauteur Yixi Xu, een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford. "Deze fase zou een sleutelfactor kunnen zijn bij het begrijpen van de onderliggende fysica en zou ons kunnen helpen materialen te ontwerpen die vergelijkbare omkeerbare transformaties vertonen voor technologische toepassingen."

Het onderzoeksteam is van plan deze tussenfase verder te onderzoeken en te onderzoeken hoe deze kan worden gecontroleerd en gebruikt in toekomstige materialen voor elektronische apparaten.

De studie werd gefinancierd door het Office of Science van de DOE, de LCLS Facility van SLAC en de National Science Foundation.