(Phys.org) — Steeds kleiner wordende elektronische apparaten zouden met behulp van overgangsmetaaloxiden tot atomaire afmetingen kunnen komen, een klasse materialen die alles lijkt te hebben:supergeleiding, magnetoweerstand en andere exotische eigenschappen. Deze mogelijkheden hebben wetenschappers enthousiast gemaakt om alles over deze materialen te begrijpen, en om nieuwe manieren te vinden om hun eigendommen op de meest fundamentele niveaus te beheersen.

Onderzoekers van Cornell en Brookhaven National Laboratory hebben laten zien hoe een bepaald overgangsmetaaloxide kan worden omgezet, een lanthaannikkelaat (LaNiO ₃ ), van een metaal naar een isolator door het materiaal minder dan een nanometer dik te maken.

Het team, die zijn bevindingen publiceerde in het aprilnummer van Natuur Nanotechnologie , omvat hoofdonderzoeker Kyle Shen, universitair hoofddocent natuurkunde; eerste auteur Phil King, een recente Kavli-postdoctoraal onderzoeker aan Cornell, nu verbonden aan de faculteit van de Universiteit van St. Andrews; Darrell Schlom, de Herbert Fisk Johnson hoogleraar industriële chemie; en co-auteurs Haofei Wei, Yuefeng Nie, Masaki Uchida, Carolina Adamo, en Shabo Zhu (Cornell), en Xi He en Ivan Božović (Brookhaven National Laboratory).

Met behulp van een uiterst nauwkeurige groeitechniek genaamd moleculaire bundelepitaxie (MBE), King synthetiseerde atomair dunne monsters van het lanthaannikkelaat en ontdekte dat het materiaal abrupt verandert van een metaal in een isolator wanneer de dikte wordt teruggebracht tot minder dan 1 nanometer. Als die drempel wordt overschreden, zijn geleidbaarheid - het vermogen van elektronen om door het materiaal te stromen - schakelt uit als een licht, een kenmerk dat nuttig zou kunnen zijn in schakelaars of transistors op nanoschaal, zei Sheen.

Met behulp van een uniek systeem bij Cornell, die MBE-filmgroei integreert met een techniek die hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) wordt genoemd, King en collega's brachten in kaart hoe de bewegingen en interacties van de elektronen in het materiaal over deze drempel veranderden, het variëren van de dikte van hun oxidefilms atoom voor atoom. Ze ontdekten dat wanneer de films minder dan 3 nikkelatomen dik waren, de elektronen vormden een ongebruikelijke orde op nanoschaal, vergelijkbaar met een schaakbord.

De resultaten tonen het vermogen aan om de elektronische eigenschappen van exotische overgangsmetaaloxiden op nanometerschaal te controleren, evenals het onthullen van de opvallende coöperatieve interacties die het gedrag van de elektronen in deze ultradunne materialen bepalen. Hun ontdekking maakt de weg vrij voor het maken van geavanceerde nieuwe elektronische apparaten van oxiden.