Nyt materiale skifter mellem elektrisk ledende og isolerende tilstande

Northwestern Engineering forskere har udviklet en ny designstrategi til at identificere nye materialer, der udviser en metalisolatorovergang (MIT), en sjælden klasse materialer kategoriseret efter deres evne til reversibelt at skifte mellem elektrisk ledende og isolerende tilstande.

Den nye metode kan springe fremtidens design og levering af hurtigere mikroelektronik i gang med flere lagermuligheder, samt kvantematerialeplatforme til fremtidig elektronik.

"Vores tilgang anvender anionsubstitution i atomskala og anerkendelse af centrale MIT -egenskaber til at identificere potentielle heteroanioniske MIT -materialer, som ikke er blevet bredt overvejet til dette punkt, "sagde James Rondinelli, lektor i materialevidenskab og teknik og Morris E. Fine Junior Professor i materialer og fremstilling ved McCormick School of Engineering, der ledede holdet. "Vi håber ved at formulere disse elektroniske struktur-ejendomsforhold, nye overgange i kvantematerialer kan designes i fremtiden. "

Et papir, der beskriver arbejdet, med titlen "Design af heteroanionisk måne, der viser en Peierls-metalisolatorovergang, "blev offentliggjort den 3. december i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Rondinelli var avisens medsvarende forfatter sammen med Danilo Puggioni, en forskningsassistent professor ved Institut for Materialevidenskab og Teknik.

Brug af kvantemekaniske computersimuleringer på Northwestern's Quest High Performance Computing Cluster, Rondinelli og forskere designet den krystallinske picoskala struktur af det nye materiale, kaldet molybdænoxynitrid (MoON), at være vært for faseovergangen. Forskerne fandt ud af, at MIT opstod nær 600 grader Celsius, afslører dets potentiale for applikationer i højtemperaturfølere og effektelektronik.

Gruppen bemærkede, at flere designparametre påvirkede MoON's faseovergang. Inkludering af flere anioner i materialet - i dette tilfælde negativt ladede oxygen- og nitrogenioner - aktiverede faseovergangen på grund af specifikke elektronkonfigurationer relateret til elektronisk orbitalers rumlige orientering, understøtter tidligere fund i andre binære MIT -materialer. Ud over, Moons fleksible rutilkrystalstruktur gav reversibilitet mellem elektrisk ledende og isolerende tilstande.

Resultaterne giver indsigt i, hvordan subtile ændringer på nanoskalaen kan bruges til at kontrollere makroskopisk adfærd - som konduktivitet - i materialer.

"Der er gjort betydeligt arbejde i løbet af det sidste årti for at forstå MIT -materialer og opdage nye; mindre end 70 unikke forbindelser er i øjeblikket kendt, der udviser denne termiske overgang, "Sagde Rondinelli." Vi legemliggjorde nøglefunktioner i MIT -materialer, herunder særlige strukturfunktioner i picoskala, samt den afgørende d1 -elektronkonfiguration, ind i vores design. Vores projekt udnytter en måde, hvorpå vi og andre kan bruge centrale principielle designkoncepter til at udvide MIT-faserummet og effektivt forfølge nye MIT-materialer. "

Forskere håber ved at formulere disse elektroniske struktur-ejendomsforhold, nye overgange i kvantematerialer kan designes i fremtiden. Disse forbindelser er nyttige som det aktive lag til transistorer eller i hukommelsesapplikationer.

"MIT-materialer repræsenterer en klasse af faseovergange, der kan muliggøre fremskridt inden for informationsbehandling og opbevaring ud over konventionel komplementær metaloxid-halvleder-skalering i mikroelektronik, "Sagde Rondinelli." Dette betyder hurtigere enheder med flere lagermuligheder. Ud over, MIT-materialer kan muliggøre mikroelektroniske systemer med lav effekt, hvilket betyder, at du skal oplade din enhed sjældnere, da det varer længere, fordi komponenterne kræver mindre strøm. "