Onderzoekers van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU) hebben een geheel nieuwe methode gevonden om de elektronische eigenschappen van oxidematerialen te controleren. Dit opent de deur naar nog kleinere componenten en misschien wel duurzamere elektronica.

"We hebben een compleet nieuwe manier gevonden om de geleidbaarheid van materialen op nanoschaal te regelen, ", zegt professor Dennis Meier van de afdeling Materials Science and Engineering van NTNU.

Een van de beste aspecten van de nieuwe methode is dat het de andere eigenschappen van het materiaal niet verstoort, zoals eerdere methoden deden. Hierdoor is het mogelijk om verschillende functies in hetzelfde materiaal te combineren, wat een belangrijke vooruitgang is voor technologie op nanoschaal.

"Wat echt geweldig is, is dat dit project wordt uitgevoerd vanuit NTNU en waarbij mensen van verschillende afdelingen betrokken zijn. We profiteren ook van belangrijke faciliteiten zoals het NanoLab en het TEM (transmissie-elektronenmicroscopie) Gemini Centre. Deze interdisciplinaire aanpak laat zien wat we kunnen doen als we samenwerken, ' zegt Meijer.

Een nieuw artikel in het tijdschrift Natuurmaterialen gaat in op de bevindingen. Het artikel heeft al internationale aandacht getrokken voordat het gedrukt werd.

De mogelijkheden die de ontdekking bood, werden besproken in het augustusnummer van Natuurmaterialen door vooraanstaande experts in het veld.

We denken zelden na over de technologie die schuilgaat achter het aandoen van een gloeilamp of ons gebruik van elektrische apparaten. De beheersing van geladen deeltjes op kleine schaal is gewoon onderdeel van het dagelijks leven.

Maar op een veel kleinere nanoschaal, wetenschappers zijn nu routinematig in staat om de stroom van elektronen te manipuleren. Dit opent mogelijkheden voor nog kleinere componenten in computers en mobiele telefoons die nauwelijks stroom verbruiken.

Een fundamenteel probleem blijft, echter. U kunt elektronische componenten op nanoschaal simuleren, maar enkele van de meest veelbelovende concepten lijken elkaar uit te sluiten. Dit betekent dat je niet meerdere componenten kunt combineren om een ​​netwerk te creëren.

"Het gebruik van kwantumverschijnselen vereist extreme precisie om de juiste verhouding van verschillende stoffen in het materiaal te behouden en tegelijkertijd de chemische structuur van het materiaal te veranderen, wat nodig is als je kunstmatige synapsen wilt maken om de eigenschappen van zenuwbanen te simuleren zoals we die kennen uit de biologie, ' zegt Meijer.

Gezamenlijke interdepartementale inspanningen, onder leiding van professor Meier, zijn erin geslaagd een aantal van deze problemen te omzeilen door een nieuwe aanpak te ontwikkelen.

"De nieuwe aanpak is gebaseerd op het exploiteren van 'verborgen' onregelmatigheden op atomair niveau, zogenaamde anti-Frenkel-defecten, ' zegt Meijer.

De onderzoekers zijn erin geslaagd om dergelijke defecten zelf te creëren, waardoor een isolerend materiaal elektrisch geleidend kan worden.

Defecten in het materiaal zijn gerelateerd aan de verschillende eigenschappen. Echter, de anti-Frenkel-defecten kunnen zodanig worden gemanipuleerd dat veranderingen in de geleidbaarheid de feitelijke structuur van het materiaal niet beïnvloeden of de andere eigenschappen ervan veranderen, zoals magnetisme en ferro-elektriciteit.

"Door de structurele integriteit te behouden, is het mogelijk om multifunctionele apparaten te ontwerpen met hetzelfde materiaal. Dit is een grote stap naar nieuwe technologie op nanoschaal, ' zegt Meijer.

Het onderzoeksteam omvat professor S. M. Selbach van de afdeling Materials Science and Engineering, Hoogleraren Antonius T. J. van Helvoort en Jaakko Akola en universitair hoofddocenten Per Erik Vullum en David Gao van het departement Natuurkunde, en universitair hoofddocent Jan Torgersen van de faculteit Werktuigbouwkunde en Industriële Techniek.

Een ander voordeel van de nieuwe aanpak is dat onderzoekers met een simpele warmtebehandeling componenten op nanoschaal kunnen wissen. Dan kun je achteraf de componenten in het materiaal wijzigen of upgraden.

"Misschien kunnen we onze elektronische gadgets langer gebruiken in plaats van ze te recyclen of weg te gooien. We kunnen ze gewoon upgraden. Dit is in wezen veel milieuvriendelijker, ' zegt Meijer.

Er worden al plannen gemaakt voor verdere pogingen om verschillende componenten te combineren. Dit werk zal worden uitgevoerd door de FACET-groep van de afdeling Materials Science and Engineering van NTNU.

Het werk wordt ondersteund door de European Research Council via een ERC Consolidator Grant die Meier vorig jaar ontving. Ook het gerenommeerde Center for Quantum Spintronics (QuSpin) is hierbij betrokken. Het doel is om zowel lading als spin in de elektronen te gebruiken om ons een milieuvriendelijkere toekomst te geven.