Faseovergangen zijn een centraal fenomeen in de natuurwetenschappen. Ondanks dat het technisch klinkt, ze zijn eigenlijk iets dat we allemaal in het dagelijks leven ervaren:ijs dat smelt in vloeibaar water, of heet water dat als stoom verdampt. Stevig, vloeistof, en gas zijn drie bekende "fasen" en, wanneer de een in de ander verandert, dat is een faseovergang.

Zeldzame aardnikkeloxiden, ook wel nikkelaten genoemd, veel belangstelling van onderzoekers omdat ze een elektronische faseovergang vertonen, die in toekomstige elektronische apparaten kunnen worden misbruikt. Deze specifieke faseovergang bestaat uit het overgaan van een metallische toestand die elektriciteit geleidt naar een elektrisch isolerende toestand als de temperatuur daalt.

Achter dit gedrag schuilt een sterke interactie tussen de elektronische eigenschappen van deze verbindingen en hun "rooster"-structuur - de goed geordende rangschikking van atomen die een kristal vormt. Echter, het blootleggen van de ware aard van dit metaal naar isolatorfaseovergang in nikkelaten, en in staat zijn om het te controleren voor potentiële elektronische apparaten, vereist weten hoe elke karakteristieke fase ontstaat en evolueert tijdens de transitie.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van EPFL en de Universiteit van Genève hebben twee geavanceerde technieken gecombineerd om elke afzonderlijke elektronische fase op nanoschaal in kaart te brengen. Gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , de studie werd geleid door Dr. Duncan Alexander van EPFL's School of Basic Sciences en de groep van professor Jean-Marc Triscone aan de Universiteit van Genève.

De eerste auteur van de studie, Dr. Bernat Mundet, zegt:"Om de fysica die wordt weergegeven door nieuwe elektronische materialen volledig te begrijpen en ze in apparaten te besturen, nieuwe karakteriseringstechnieken op atomaire schaal zijn vereist. In dit verband, we zijn voor het eerst in staat geweest om de metalen en isolerende gebieden nauwkeurig te bepalen van atomair geconstrueerde apparaten gemaakt van twee nikkelaatverbindingen met een bijna atomaire resolutie. We geloven dat onze methodologie zal helpen om de fysica van deze belangrijke familie van elektronische materialen beter te begrijpen."

De onderzoekers combineerden aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) met monochromatische elektronen-energieverliesspectroscopie (EELS).

in STEM, beelden worden gevormd door het scannen van een bundel elektronen, scherpgesteld op een plek van ongeveer 1 Ångstroms groot, over een voldoende dun monster - in dit geval een stukje nikkelaat - en het verzamelen van de uitgezonden en verstrooide elektronen met behulp van ringvormige detectoren. Hoewel technisch veeleisend, met deze techniek kunnen onderzoekers de roosterstructuur van een kristal nauwkeurig visualiseren, atomaire rij voor atomaire rij.

Voor de tweede techniek AAL, die elektronen die door het centrale gat van de ringvormige detector gaan, worden in plaats daarvan verzameld. Sommige van deze elektronen hebben eerder wat energie verloren door hun interactie met de Ni-atomen van het nikkelaatkristal. Door te meten hoe dit energieverschil verandert, we kunnen de metallische of isolerende toestand van de nikkelaatverbinding bepalen.

Omdat alle elektronen gelijktijdig worden verstrooid en verzameld, de onderzoekers waren in staat om de elektronische toestandsveranderingen te correleren met de bijbehorende roosterposities in de verschillende nikkelaatverbindingen. Deze aanpak stelde hen in staat om in kaart te brengen, Voor de eerste keer, de ruimtelijke configuratie van hun metalen of isolerende gebieden, het bereiken van een zeer hoge ruimtelijke resolutie van ongeveer 3,5 Ångstrom (0,35 nanometer). De techniek zal een waardevol hulpmiddel zijn voor het bestuderen en begeleiden van de atomaire engineering van deze nieuwe elektronische materialen.

"De nieuwste elektronenmicroscopen geven ons een verbazingwekkend vermogen om een ​​verscheidenheid aan fysieke eigenschappen van materialen te meten met atomaire of nanometrische ruimtelijke resolutie, "zegt Duncan Alexander. "Hier, door de mogelijkheden van EPFL's Titan Themis-microscoop tot het uiterste te drijven, we zetten een spannende stap voorwaarts op dit gebied, door te bewijzen dat we de veranderingen in elektronische toestand kunnen meten over een dunne filmstructuur die precies is gemaakt van twee verschillende nikkelaten. Onze aanpak opent nieuwe wegen voor het onderzoeken van de fysica van deze nikkelaatverbindingen, die wereldwijd onderzoeksinteresse hebben aangewakkerd."

"De combinatie van verbazingwekkende kunstmatige materialen die een overgang van metaal naar isolator vertonen en zeer geavanceerde elektronenmicroscopie heeft ongekend gedetailleerd onderzoek van hun elektronische eigenschappen mogelijk gemaakt, ", voegt Jean-Marc Triscone toe. "In het bijzonder, het onthulde, op atomaire schaal, of het materiaal geleidend of isolerend is - een belangrijke vraag voor een beter begrip van deze materialen die in toekomstige computerbenaderingen kunnen worden gebruikt."