Het vermogen van materialen met faseverandering om gemakkelijk en snel tussen verschillende fasen over te schakelen, heeft ze waardevol gemaakt als een energiezuinige bron van niet-vluchtig of "flash" -geheugen en gegevensopslag. Nu is er door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory en de University of California Berkeley een hele nieuwe klasse van faseveranderingsmaterialen ontdekt die kunnen worden toegepast op faseveranderings random access memory (PCM)-technologieën en mogelijk ook optische gegevensopslag. De nieuwe faseovergangsmaterialen - nanokristallegeringen van een metaal en halfgeleider - worden "BEAN's, " voor binaire nanostructuren van eutectische legering.

“Faseveranderingen in BEAN’s, ze overschakelen van kristallijn naar amorf en terug naar kristallijne toestanden, kan in een kwestie van nanoseconden worden opgewekt door elektrische stroom, laserlicht of een combinatie van beide, " zegt Daryl Chrzan, een fysicus die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de afdeling Materials Science and Engineering van UC Berkeley. "Werken met germaniumtin-nanodeeltjes ingebed in silica als onze eerste BEAN's, we waren in staat om zowel de vaste als de amorfe fase te stabiliseren en de kinetiek van het schakelen tussen de twee af te stemmen door simpelweg de samenstelling te veranderen.”

Chrzan is de corresponderende auteur van een paper waarin de resultaten van dit onderzoek worden gerapporteerd en die in het tijdschrift zijn gepubliceerd NanoLetters getiteld "Ingebedde binaire eutectische legeringsnanostructuren:een nieuwe klasse van faseveranderingsmaterialen."

Co-auteur van het artikel met Chrzan waren Swanee Shin, Julian Guzman, Chun-Wei Yuan, Christoffel Liao, Cosima Boswell-Koller, Pieter Steen, Oscar Dubon, Andreas Minor, Masashi Watanabe, Jeffrey Beeman, Kin Yu, Joel Ager en Eugene Haller.

“Wat we hebben aangetoond is dat nanostructuren van binaire eutectische legering, zoals kwantumdots en nanodraden, kan dienen als faseovergangsmateriaal, ’ zegt Chrzan. "De sleutel tot het gedrag dat we hebben waargenomen, is de inbedding van nanostructuren in een matrix van volumes op nanoschaal. De aanwezigheid van deze nanostructuur/matrix-interface maakt een snelle afkoeling mogelijk die de amorfe fase stabiliseert, en stelt ons ook in staat om de transformatiekinetiek van het faseovergangsmateriaal af te stemmen.”

Een eutectische legering is een metallisch materiaal dat smelt bij de laagst mogelijke temperatuur vanwege zijn mengsel van bestanddelen. De germaniumtinverbinding is een eutectische legering die door de onderzoekers is beschouwd als een prototypisch faseovergangsmateriaal omdat het bij kamertemperatuur kan voorkomen in een stabiele kristallijne toestand of een metastabiele amorfe toestand. Chrzan en zijn collega's ontdekten dat wanneer germaniumtin-nanokristallen werden ingebed in amorf silica, de nanokristallen een tweelobbige nanostructuur vormden die half kristallijn metallisch en half kristallijn halfgeleider was.

“Snelle afkoeling na gepulseerd lasersmelten stabiliseert een metastabiele, amorf, compositorisch gemengde fase staat bij kamertemperatuur, terwijl matige verwarming gevolgd door langzamere afkoeling de nanokristallen terugbrengt naar hun oorspronkelijke tweelobbige kristallijne toestand, ’ zegt Chrzan. "Het silica fungeert als een kleine en zeer schone reageerbuis die de nanostructuren opsluit, zodat de eigenschappen van de BEAN/silica-interface de unieke faseveranderingseigenschappen kunnen dicteren."

Hoewel ze de elektronische transporteigenschappen van de tweelobbige en amorfe BEAN-structuren nog niet direct hebben gekarakteriseerd, uit studies over verwante systemen verwachten Chrzan en zijn collega's dat zowel het transport als de optische eigenschappen van deze twee structuren substantieel zullen verschillen en dat dit verschil kan worden aangepast door middel van wijzigingen in de samenstelling.

“In de amorfe gelegeerde staat, we verwachten dat de BEAN normaal, metalen geleidbaarheid, ’ zegt Chrzan. “In de tweelobbige toestand, de BEAN zal een of meer Schottky-barrières bevatten die kunnen worden gemaakt om als diode te functioneren. Voor doeleinden van gegevensopslag, de metaalgeleiding zou een nul kunnen betekenen en een Schottky-barrière zou een één kunnen betekenen.

Chrzan en zijn collega's onderzoeken nu of BEAN's herhaalde faseveranderingen kunnen doorstaan ​​en of het heen en weer schakelen tussen de tweelobbige en amorfe structuren kan worden opgenomen in een draadgeometrie. Ze willen ook de energiestroom in het systeem modelleren en deze modellering gebruiken om de licht-/stroompulsen op maat te maken voor optimale faseveranderingseigenschappen.

De in-situ transmissie-elektronenmicroscopiekarakteriseringen van de BEAN-structuren werden uitgevoerd in het National Center for Electron Microscopy van Berkeley Lab, een van 's werelds belangrijkste centra voor elektronenmicroscopie en microkarakterisering.