Grænsefladen mellem to tinoxid-halvledere kan udvise uventede metalliske egenskaber

Metaloxidation udnyttes i mange industrielle applikationer. KAUST -forskere har modelleret grænsen mellem to metaloxider for at afsløre deres metalliske egenskaber, hvilket kan føre til positive anvendelser inden for elektronik.

Vores kendskab til rust, som sker ved oxidation af jern for at gøre det flakket og svagt, betyder, at vi normalt anser oxidation af metaller for at være skadeligt. Men nogle metaloxider er nyttige. For eksempel, de har et stort potentiale inden for elektronik, fordi de kan være både gennemsigtige og fleksible. De kan udvise magnetiske egenskaber, som åbner døren til højtydende, ultrahurtige computerhukommelser. De kan være følsomme over for deres miljø, gør dem nyttige til gassensorer.

For nylig, potentialet for halvledende tinmonoxid (SnO) til elektroniske applikationer blev afsløret, da KAUST -forskere fastslog en rekordhøj mobilitet, som refererer til, hvor let en ladningsbærende partikel kan bevæge sig gennem materialet. I dette tilfælde, ladningsbærerne var ikke elektroner, men huller. Huller opfører sig meget som elektroner, men de bærer en positiv snarere end en negativ elektrisk ladning.

At opnå rent tinmonoxid er udfordrende, fordi fremstillingsprocessen ofte også skaber tindioxid (SnO2). Generelt, grænsefladen mellem to oxider kan være vært for en lang række eksotiske fysikker, fra superledning til ferroelektricitet, der henviser til, at egenskaberne ved grænsefladen mellem tinmonoxid og tindioxid stort set er ukendte.

Arwa Albar, nu adjunkt ved King Abdulaziz University, gjorde dette arbejde som en del af hendes ph.d. studier på KAUST, sammen med Hassan Ali Tahini og hendes vejleder, Udo Schwingenschlögl. Forskerne modellerede teoretisk grænsen mellem de to oxider ved hjælp af såkaldt densitetsfunktionel teori. Med denne teknik var de i stand til at bestemme densiteten af ​​elektrisk ladning ved grænsefladen for forskellige atomarrangementer. De viste, at grænsen kan understøtte frit bevægelige huller i det, der er kendt som en kvantegas, hvilket giver grænsefladen en metallisk karakter.

"Den nye model forudsiger nøjagtigt ladningsmængden ved grænsefladen, "bekræfter Albar.

Kvantegasser er allerede blevet identificeret ved oxidgrænseflader i andre materialesystemer. De kan opstå på grund af en diskontinuitet mellem to materialer.

"Kvantgasdannelsen forklares ved en mekanisme kendt som polar katastrofe, hvor elektronerne indretter sig for at undgå en divergens i elektrostatisk potentiale, "siger Schwingenschlögl. Det, der er usædvanligt ved grænsefladen tinmonoxid -dioxide, er, at det mangler en sådan diskontinuitet i ansvaret." I stedet for ladningsmængden pr. grænsefladeområde er forskellig på de to sider af grænsefladen, "forklarer Schwingenschlögl." Vi kalder denne 'ladningstæthed diskontinuitet' snarere end den konventionelle 'ladning diskontinuitet'. "

Teamet forudser, at det samme fænomen også kan forekomme i andre kombinationer af materialer. "Det bliver nødvendigt at undersøge, hvordan kvantegasens egenskaber kan kontrolleres, "siger Schwingenschlögl.