Twee MIT-onderzoekers hebben een dunnefilmmateriaal ontwikkeld waarvan de fase- en elektrische eigenschappen eenvoudig kunnen worden omgeschakeld tussen metallisch en halfgeleidend door een kleine spanning aan te leggen. Het materiaal blijft dan in zijn nieuwe configuratie totdat het wordt teruggeschakeld door een andere spanning. De ontdekking zou de weg kunnen effenen voor een nieuw soort "niet-vluchtige" computergeheugenchip die informatie vasthoudt wanneer de stroom wordt uitgeschakeld. en voor energieconversie en katalytische toepassingen.

De bevindingen, gerapporteerd in het journaal Nano-letters in een paper van MIT-student materiaalwetenschappen Qiyang Lu en universitair hoofddocent Bilge Yildiz, een dunnefilmmateriaal bevatten dat strontiumkobaltiet wordt genoemd, of SrCoO _x .

Gebruikelijk, Yildiz zegt, de structurele fase van een materiaal wordt bepaald door zijn samenstelling, temperatuur, en druk. "Hier voor het eerst " ze zegt, "we demonstreren dat elektrische voorspanning een faseovergang in het materiaal kan veroorzaken. En in feite hebben we dit bereikt door het zuurstofgehalte in SrCoO te veranderen _x ."

"Het heeft twee verschillende structuren die afhangen van het aantal zuurstofatomen per eenheidscel dat het bevat, en deze twee structuren hebben heel verschillende eigenschappen, ' legt Lu uit.

Een van deze configuraties van de moleculaire structuur wordt perovskiet genoemd, en de andere heet brownmilleriet. Als er meer zuurstof aanwezig is, het vormt het nauw omsloten, kooiachtige kristalstructuur van perovskiet, terwijl een lagere zuurstofconcentratie de meer open structuur van brownmilleriet produceert.

De twee vormen hebben zeer verschillende chemische, elektrisch, magnetisch, en fysieke eigenschappen, en Lu en Yildiz ontdekten dat het materiaal tussen de twee vormen kan worden omgedraaid met de toepassing van een zeer kleine hoeveelheid spanning - slechts 30 millivolt (0,03 volt). En, ooit veranderd, de nieuwe configuratie blijft stabiel totdat deze wordt teruggedraaid door een tweede toepassing van spanning.

Strontiumkobaltieten zijn slechts één voorbeeld van een klasse van materialen die bekend staat als overgangsmetaaloxiden, die als veelbelovend wordt beschouwd voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder elektroden in brandstofcellen, membranen die zuurstof doorlaten voor gasscheiding, en elektronische apparaten zoals memristors - een vorm van niet-vluchtige, ultrasnel, en energiezuinig geheugenapparaat. De mogelijkheid om zo'n faseverandering teweeg te brengen door het gebruik van slechts een kleine spanning zou vele toepassingen voor deze materialen kunnen openen, zeggen de onderzoekers.

Eerder werk met strontiumkobaltieten was gebaseerd op veranderingen in de zuurstofconcentratie in de omringende gasatmosfeer om te bepalen welke van de twee vormen het materiaal zou aannemen, maar dat is inherent een veel langzamer en moeilijker te controleren proces, zegt Lu. "Dus ons idee was, verander de sfeer niet, gewoon een spanning aanleggen."

"Spanning wijzigt de effectieve zuurstofdruk waarmee het materiaal wordt geconfronteerd, Yildiz vult aan. Om dat mogelijk te maken, de onderzoekers legden een zeer dunne film van het materiaal (de brownmilleriet-fase) op een substraat, waarvoor ze yttrium-gestabiliseerd zirkonia gebruikten.

In die opstelling, het toepassen van een spanning drijft zuurstofatomen in het materiaal. Het toepassen van de tegenovergestelde spanning heeft het omgekeerde effect. Om te observeren en aan te tonen dat het materiaal inderdaad door deze faseovergang ging toen de spanning werd aangelegd, het team gebruikte een techniek die in-situ röntgendiffractie wordt genoemd bij het MIT's Center for Materials Science and Engineering.

Het basisprincipe om dit materiaal tussen de twee fasen te schakelen door de gasdruk en temperatuur in de omgeving te veranderen, is het afgelopen jaar ontwikkeld door wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory. "Hoewel interessant, dit is geen praktisch middel om de apparaateigenschappen in gebruik te controleren, " zegt Yildiz. Met hun huidige werk, de MIT-onderzoekers hebben de controle van de fase en elektrische eigenschappen van deze klasse materialen op een praktische manier mogelijk gemaakt, door een elektrische lading toe te passen.

Naast geheugenapparaten, het materiaal zou uiteindelijk toepassingen kunnen vinden in brandstofcellen en elektroden voor lithium-ionbatterijen, zegt Lu.

"Ons werk heeft een fundamentele bijdrage geleverd door elektrische voorspanning te introduceren als een manier om de fase van een actief materiaal te regelen, en door de wetenschappelijke basis te leggen voor dergelijke nieuwe energie- en informatieverwerkingsapparatuur, ’ voegt Yildiz toe.

In lopend onderzoek, het team werkt aan een beter begrip van de elektronische eigenschappen van het materiaal in zijn verschillende structuren, en om deze benadering uit te breiden naar andere interessante oxiden voor geheugen- en energietoepassingen, in samenwerking met MIT-professor Harry Tuller.

José Santiso, de leider van de groeidivisie voor nanomaterialen aan het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie in Barcelona, Spanje, die niet bij dit onderzoek betrokken was, noemt het "een zeer belangrijke bijdrage" aan de studie van deze interessante klasse van materialen, en zegt:"het baant de weg voor de toepassing van deze materialen, zowel in elektrochemische apparaten in vaste toestand voor de efficiënte omzetting van energie of zuurstofopslag, evenals in mogelijke toepassingen in een nieuw soort geheugenapparaten."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.