Ny analyse forklarer defekters rolle i metaloxider

Nogle gange er ting, der er tekniske defekter, såsom ufuldkommenheder i et materiales krystalgitter, kan faktisk producere ændringer i egenskaber, der åbner op for nye slags nyttige applikationer. Ny forskning fra et hold ved MIT viser, at sådanne ufuldkommenheder i en familie af materialer kendt som isolerende metaloxider kan være nøglen til deres ydeevne til en række højteknologiske applikationer, såsom ikke-flygtige hukommelseschips og energikonverteringsteknologier.

Resultaterne er rapporteret i denne uge i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , i et papir af MIT-lektor Bilge Yildiz, Professor og lektor Krystyn Van Vliet, og tidligere postdoc Mostafa Youssef.

Disse metaloxidmaterialer er blevet undersøgt af mange forskere, Yildiz siger, og "deres egenskaber er stærkt styret af antallet og den slags defekter, der er til stede." Når de udsættes for stærke drivkræfter, såsom stærke elektriske felter, "adfærden af ​​sådanne defekter var ikke blevet godt forstået, " hun siger.

Forskere har en veletableret teoretisk forståelse af, hvordan perfekt strukturerede versioner af disse isolerende metaloxider fungerer under en række forskellige forhold, såsom i stærke elektriske felter, men der var ingen sådan teori til at beskrive materialerne, når de indeholder almindelige typer defekter, ifølge Yildiz. Det er vigtigt at forstå disse effekter kvantitativt for at udvikle denne lovende familie af materialer til potentielle anvendelser, herunder nye typer lavenergi computerhukommelse og behandlingsenheder, elektrisk baseret køling, og elektrokatalytiske energiomdannelsesanordninger såsom brændselsceller.

Holdet demonstrerede en teoretisk ramme og viste, hvordan stabiliteten og strukturen af ​​en punktdefekt ændres under stærke elektriske felter. De tog en almindelig defekt kaldet en neutral ilttomgang - et sted, hvor et iltatom skulle optræde i gitteret, men i stedet er to elektroner fanget. Deres resultater har kvantificeret polarisationsadfærden af ​​materialet med denne defekt, i et elektrisk felt.

"Især ilt ledige stillinger er meget vigtige i elektroniske og elektrokemiske applikationer, " siger Yildiz, der har fælles ansættelser i afdelingerne for Nuklear Science and Engineering og Materials Science and Engineering.

I mange af disse applikationer, hun siger, der kan være en intern spændingsgradient skabt i tyndfilmsmaterialet, og denne "elektriske potentiale"-gradient forårsager stærke elektriske felter. At forstå virkningerne af disse felter er afgørende for designet af visse nye enheder.

"Det meste af arbejdet på dette område er eksperimentelt, " siger Yildiz. "Du tager en tynd film, du sætter det i et elektrisk felt, og du laver målinger." Men i sådanne eksperimenter, virkningerne af det lokale elektriske potentiale og det elektriske felt er indviklede, gør det meget svært at forstå resultaterne. "Det er umuligt at løse dem fra hinanden, så du skal have en teori" for at redegøre for virkningerne, tilføjer hun.

Forskerne har nu udtænkt en ny teoretisk ramme, der giver dem mulighed for at isolere den elektriske felteffekt fra den elektriske potentialeffekt, og kvantificere begge uafhængigt. Dette gjorde det muligt for dem at komme med meget specifikke forudsigelser, der adskiller sig fra dem, der er produceret af klassisk teori og skulle gøre det muligt at validere den nye model eksperimentelt inden for et år, siger Yildiz.

Resultaterne skulle hjælpe med at muliggøre udviklingen af ​​nogle vigtige potentielle applikationer, hun siger. Den ene er i en ny type computerhukommelsesenhed kendt som resistive switching memory, som giver hurtige skiftehastigheder ved brug af meget lidt energi. Disse hukommelsesenheder er afhængige af tilstedeværelsen af ​​defekter.

"Måden de skifter deres modstandstilstand [for at registrere data] afhænger af defekttypen, indhold, og distribution, " siger hun. "For at modellere enhedens adfærd, du skal kunne modellere, hvordan de påførte stærke elektriske felter ændrer defektstrukturen, koncentration, og distribution." Det er, hvad dette nye arbejde muliggør:"Hvis du kender kvantitativt effekterne af både potentialet og feltet, så kan du designe dine driftsbetingelser, så de drager fordel af disse effekter."

Forståelse af disse effekter er også vigtigt for andre applikationer, såsom spaltning af vandmolekyler for at producere brint ved faststof-væske grænseflader, elektroniske enheder, der er afhængige af oxid-oxid-grænseflader, eller andre elektrokemiske processer, der anvender disse materialer som katalysatorer, hvor defekter fungerer som de steder, der muliggør interaktionerne.

De materialer, holdet undersøgte, tilhører en klasse kendt som jordalkalimetal-binære oxider, hvis bestanddele er "blandt den mest udbredte klasse af materialer på Jorden, " siger Yildiz. "[Denne klasse er] billig, rigelig, og har justerbare egenskaber, " hvilket gør det lovende for mange applikationer. Men hun tilføjer, at den teoretiske tilgang, de tog, nu vil blive anvendt meget bredere, til mange andre slags oxidmaterialer og til andre former for defekter i dem udover de neutrale ilttomheder.

"Dette arbejde etablerer et nyt paradigme for undersøgelse af defekter i halvledere, ved at opstille den nødvendige matematik til beregning af defektdannelsesenergien i elektrisk stimulerede defekte krystaller, " siger Cesare Franchini, en lektor i datamateriel fysik ved universitetet i Wien, som ikke var involveret i dette arbejde. "Dette arbejde udvider de nuværende teorier, der forbinder termodynamik med elektrisk polarisering, og vil være gavnlig for stort set alle applikationer, hvor defekter (og deres justering ved hjælp af elektriske stimuli) er et aktiv, herunder katalyse, elektronik, og elektrokaloriske apparater."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.