ICN2 Oxide Nanoelectronics Group heeft geleidbaarheidswaarden voor stronciumiridaat verkregen die 250 keer hoger zijn dan onder normale omstandigheden door er met nanometrische naalden op te drukken. De resultaten, gepubliceerd in nanoschaal , werden verkregen via een atomic force microscope (AFM) waaruit bleek dat het materiaal een goede kandidaat zou kunnen worden voor toekomstige toepassingen in sensoren en elektronica.

Onderzoekers van het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2) hebben gemeten, op kamertemperatuur, de hoogste waarden van piëzoweerstand ooit gedetecteerd in een elektrokeramisch materiaal, het overwinnen van de registers voor materialen zoals silicium nanodraden of grafeen. Bovendien, het werd gemeten met een eenvoudige techniek die het gebruik van complexe apparatuur om de druk te regelen vermijdt. Het onderzoek is uitgevoerd door Oxide Nanoelectronics Group, onder leiding van Prof ICREA Gustau Catalaans. Dr. Neus Domingo is de eerste ondertekenaar van het artikel gepubliceerd in nanoschaal en haar bijdrage is essentieel geweest voor de ontwikkeling van het onderzoek.

Piëzoweerstand treedt op wanneer bepaalde materialen hun elektrische geleidbaarheid veranderen wanneer een vervormingsdruk wordt uitgeoefend. Dit komt door het feit dat isolator- en halfgeleidermaterialen zeer speciale elektrische eigenschappen hebben die resulteren in banden met verschillende eigenschappen:de valentieband, waar elektronen worden 'geparkeerd', en de geleidingsband, waar de elektrische stroom vloeit. Deze banden worden gescheiden door een energiespleet; als de kloof dun is, het aantal elektronen in de geleidingsband is hoger en, bijgevolg, de elektrische geleidbaarheid is ook hoger.

Wanneer druk wordt uitgeoefend op bepaalde halfgeleidermaterialen, de band gap die de geleidingsband en de valentieband scheidt, wordt gewijzigd. Hierdoor kunnen elektronen naar de geleidingsband springen, bijgevolg het verminderen van de elektrische weerstand van het materiaal. Met andere woorden, wanneer het materiaal wordt geperst, er is een betere stroomgeleiding. Dit feit leidt tot een breed scala aan mogelijke toepassingen, van druksensoren tot micro-elektronische transistoren waarbij de stroom wordt geregeld door druk in plaats van spanning.

Een nanoscopische naald om hoge drukken te bestuderen

In de ICN2-laboratoria, Prof. Catalan's Group heeft een gigantische piëzoweerstand gemeten in een keramisch materiaal, stronkiumiridaat (Sr ₂ IrO ₄ ). De metingen zijn gedaan met een atomic force microscope (AFM), een apparaat dat nanoscopisch geslepen naalden gebruikt die het materiaal aandrukken en tegelijkertijd de geleidbaarheid ervan kwantificeren. Dit is een nieuwe en fantasierijke manier om deze apparatuur te gebruiken, omdat het de eerste keer is dat de AFM-naald wordt gebruikt om de piëzoweerstand van een materiaal te meten.

De AFM-naald is zo klein dat een minuscule kracht zich vertaalt in een hoge drukwaarde. Minder dan 1 mg kracht (ongeveer het gewicht van een mier) uitgeoefend op een nanoscopische naald wordt omgezet in een drukwaarde van meer dan 100 ton (het gewicht van 20 olifanten) per vierkante centimeter. In feite, de druk is zo hoog (tot 10GPa) dat er diamanten punten moesten worden gebruikt om te voorkomen dat de naald bekneld raakte.

Met dit drukniveau onderzoekers hebben geleidbaarheidswaarden voor Sr . verkregen ₂ IrO ₄ 250 keer hoger dan onder normale omstandigheden. Opmerkelijk, ondanks het toepassen van vervormingen meer dan 500 keer, het monster heeft geen schade opgelopen. Bovendien, de piëzoweerstand is gemeten bij kamertemperatuur. Tot slot, deze halfgeleider zou een goede kandidaat kunnen zijn voor toekomstige toepassingen in sensoren, nieuwe soorten transistors en andere gespecialiseerde elektronische apparaten. Echter, iridium is een schaars element op onze planeet, dus zijn wetenschappers op zoek naar alternatieve materialen.