(Phys.org) —Wetenschappers zijn net begonnen met het ontdekken en onderzoeken van materialen die kunnen veranderen van isolatoren in geleiders bij kamertemperatuur onder een aangelegde spanning. Er zijn slechts enkele bekende voorbeelden, maar hun potentieel voor gebruik in nieuwe technologieën - zo futuristisch als de "onzichtbaarheidsmantel" die Harry Potter heeft aangetrokken in de gelijknamige boekenreeks - is erg opwindend.

Bij NSLS, onderzoekers hebben een nieuwe toevoeging aan deze elitegroep bestudeerd - nanodraden gemaakt van vanadiumoxidebrons - en drastisch gemeten, nooit eerder vertoonde overgangen van isolator naar geleider. Hun werk verwijst ook naar wat er op atomair niveau gebeurt. Dit is een cruciale stap in de richting van de ontwikkeling van mogelijke toepassingen, die een type computergeheugen bevatten dat bekend staat als een memristor, nu in ontwikkeling bij enkele bedrijven; nieuwe variëteiten van elektrochrome coatings, dunne films die reversibel van kleur veranderen als reactie op een aangelegde spanning; en transistoren.

Hier, onderzoekers van de Universiteit van Buffalo gebruikten verschillende röntgen- en microscopiemethoden om de nanodraden te bestuderen, sommige om de draden na synthese te karakteriseren en anderen om te "zien" wat er gebeurde toen de draden tot pellets werden geperst en aan een elektrisch veld werden onderworpen. Samen, de technieken geven een gedetailleerd beeld van de atomaire en elektronische structuren van de draden voor en na de overgang.

De draden zijn gemaakt van de elementen vanadium, zuurstof, en lood (in de vorm van positieve ionen). De groep creëerde ze met behulp van een synthesemethode die monsters van zeer hoge kwaliteit oplevert. Dit is op zich al een belangrijke prestatie, omdat het onvermogen om monsters te maken met structuren die bijna defectvrij zijn, eerder een wegversperring was voor het bestuderen van deze materialen, omdat te veel onvolkomenheden het fenomeen verstikken.

Toen de groep een spanning op de nanodraadpellets zette, ze keken hoe de stroom heel langzaam toenam en vervolgens piekte bij een bepaalde drempelspanning. Hoewel dit effect het meest dramatisch was bij koude temperaturen, het was nog steeds duidelijk tot kamertemperatuur.

Röntgenmetingen geven aan dat het mechanisme achter de overgang een overstroming van ladingsdragers (elektronen) is die optreedt wanneer de spanning de drempel bereikt. Deze toename in dragerdichtheid "smelt" het ladingsvolgordepatroon, de geordende rangschikking van plaatsen binnen het atoomrooster waar de elektronen bundelen.

"Deze nanodraden vormen een zeldzame toevoeging aan de selectie van materialen met een uitgesproken elektrisch afstembare metaal-isolatorovergang bij kamertemperatuur, " zei Sarbajit Banerjee van de Universiteit van Buffalo, hoofdonderzoeker van het onderzoek. "Het elektrisch induceren van een drempeldragerdichtheid kan een breed scala aan eclectische transportfenomenen in deze materialen onthullen, en we zijn verheugd om dit verder te onderzoeken."

Aanvullend, de analyse van de groep laat zien dat elke nanodraad bijna perfect kristallijn is en, met een gemiddelde diameter van 170 nanometer (nm) en een lengte die minstens 500 keer zo lang is, heeft een hoge "beeldverhouding". Voor een nanodraad, dit is een zeer wenselijke kwaliteit omdat het stroom door een extreem smalle, bijna eendimensionaal kanaal. Het vanadiumoxide neemt drie verschillende molecuulvormen aan, elk vormt kettingen die zich over de volledige lengte van de draad uitstrekken. De loodionen bevinden zich in de tunnels tussen de ketens.

Het deel van het röntgenonderzoek bij NSLS vond plaats op bundellijnen U7A en X23A2. Het volledige onderzoek is op 17 augustus online gepubliceerd, 2012, in Geavanceerde functionele materialen .