Skift identitet:Revolutionerende isolator-lignende materiale leder også elektricitet

University of Wisconsin-Madison forskere har lavet et materiale, der kan gå fra et elektricitetsoverførende metal til et ikke-ledende isolerende materiale uden at ændre dets atomare struktur.

"Dette er en ret spændende opdagelse, " siger Chang-Beom Eom, professor i materialevidenskab og teknik. "Vi har fundet en ny metode til elektronisk skift."

Det nye materiale kan danne grundlaget for ultrahurtige elektroniske enheder. Eom og hans internationale team af samarbejdspartnere offentliggjorde detaljer om deres fremmarch i dag (30. nov., 2018) i bladet Videnskab .

Metaller som kobber eller sølv leder elektricitet, hvorimod isolatorer som gummi eller glas ikke tillader strøm at flyde. Nogle materialer, imidlertid, kan gå fra isolerende til ledende.

Denne overgang betyder normalt, at arrangementet af et materiales atomer og dets ledende elektroner skal ændres på en koordineret måde, men atomovergangen forløber typisk meget langsommere end den mindre, lettere elektroner, der leder elektricitet.

Et materiale, der kan skifte til at lede elektricitet som et metal uden at flytte dets atomer, kan dramatisk øge omskiftningshastighederne for avancerede enheder, siger Eom.

"Metal-til-isolator-overgangen er meget vigtig for switches og for logiske enheder med en- eller nultilstand, " siger han. "Vi har potentialet til at bruge dette koncept til at lave meget hurtige skift."

I deres forskning, Eom og hans samarbejdspartnere besvarede et grundlæggende spørgsmål, som har generet videnskabsmænd i årevis:Kan den elektroniske og strukturelle overgang afkobles - i det væsentlige, kan de hurtigt skiftende elektroner bryde ud af sig selv og efterlade atomerne?

De brugte et materiale kaldet vanadiumdioxid, som er et metal, når det er opvarmet og en isolator, når det er ved stuetemperatur. Ved høje temperaturer, atomerne, der udgør vanadiumdioxid, er arrangeret i et regelmæssigt gentaget mønster, som forskerne omtaler som den rutile fase. Når vanadiumdioxid køler ned for at blive en isolator, dets atomer antager et andet mønster, kaldet monoklinisk.

Ingen naturligt forekommende stoffer leder elektricitet, når deres atomer er i den monokliniske konformation. Og det tager tid for atomerne at omarrangere, når et materiale når isolator-til-metal-overgangstemperaturen.

Afgørende, vanadiumdioxid overgange mellem et metal og en isolator ved forskellige temperaturer afhængigt af mængden af ​​oxygen til stede i materialet. Forskerne udnyttede dette faktum til at skabe to tynde lag vanadiumdioxid - det ene med en lidt lavere overgangstemperatur end det andet - lagt oven på hinanden, med en skarp grænseflade imellem.

Da de opvarmede den tynde vanadiumdioxidsandwich, et lag fik den strukturelle omskiftning til at blive et metal. Atomer i det andet lag forblev låst i den isolerende monokliniske fase. Overraskende nok, imidlertid, den del af materialet førte elektricitet.

Mest vigtigt, materialet forblev stabilt og beholdt sine unikke egenskaber.

Selvom andre forskningsgrupper har forsøgt at skabe elektrisk ledende isolatorer, disse materialer mistede deres egenskaber næsten øjeblikkeligt - vedvarende i blot femtosekunder, eller et par tusindedele af en trilliontedel af et sekund.

Eom-holdets materiale, imidlertid, er kommet for at blive.

"Vi var i stand til at stabilisere det, gør det nyttigt for rigtige enheder, " siger Eom.

Nøglen til deres tilgang var det dobbelte lag, sandwich struktur. Hvert lag var så tyndt, at grænsefladen mellem de to materialer dominerede, hvordan hele stakken opførte sig. Det er en forestilling, som Eom og kolleger planlægger at forfølge yderligere.

"Design af grænseflader kan åbne op for nye materialer, " siger Eom.

Wisconsin Alumni Research Foundation hjælper forskerne med patentansøgning.