En ny måde at finjustere eksotiske materialer:Tynd, strække og klemme

En måde at ændre et materiales egenskaber på er at strække det en lille smule, så dets atomer er længere fra hinanden, men bindingerne mellem dem brydes ikke. Denne ekstra afstand påvirker elektronernes adfærd, som afgør, om materialet er en isolator eller en leder af elektricitet, for eksempel.

Men for en vigtig klasse af komplekse oxidmaterialer, udstrækning fungerer ikke så godt; de er lige så skøre som keramiske kaffekopper og ville gå i stykker.

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University har nu fundet en vej rundt om dette problem for et komplekst oxid kendt som LCMO. De skabte en supertynd, fleksibel membran fra det normalt sprøde materiale, brugte mikromanipulatorer til at strække det på et lillebitte apparat og limede det på plads for at bevare strækningen.

Ved at anvende blid varme for at smelte limen, de kunne frigive og strække den samme gennemsigtige membran igen og igen og se den vende fra at være en isolator til en leder og tilbage igen. Udstrækning ændrede også dens magnetiske egenskaber.

"Vi kan virkelig strække og belaste disse ting dramatisk, med op til 8 %, " sagde Harold Hwang, en professor ved SLAC og Stanford og en efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Dette åbner en helt ny verden af ​​muligheder, som vil have en indflydelse ud over denne særlige undersøgelse."

Forskerholdet rapporterede sine resultater i Videnskab i dag.

Nye måder at flyde frit og strække på

LCMO, eller lanthan calcium manganoxid, er det, der er kendt som et kvantemateriale, fordi dets elektroner opfører sig på utraditionelle og ofte overraskende måder. Forskere ønsker at være i stand til at kontrollere og finjustere denne adfærd for en ny generation af elektronik med applikationer i kraftoverførsel, transport, computer, sensorer og detektorer.

Tynde film af kvantematerialer dyrkes generelt på overfladen af ​​et andet materiale. Fire år siden, Hwangs gruppe rapporterede om en nem måde at løsne de sarte lag på, så de kunne studeres på nye måder.

En af forskerne, der arbejdede på den undersøgelse, Seung Sae Hong, førte også denne. Han brugte den nye metode til at skabe og frigøre små stykker LCMO, der var tyndere end nogensinde før - mindre end 20 nanometer tykke. De var næsten gennemsigtige og overraskende fleksible.

Direkte strække sådan en lille, skrøbeligt skrot ville være svært, men Hong kom uden om det problem ved at lægge det på en tynd polymerfilm – lidt som en plastikpose fra en købmand – hvor det sad fast af egen vilje.

Så klemte han polymerfilmen på hver af dens fire sider og brugte en mikromanipulator til at trække og strække den – nogle gange i én retning, nogle gange i begge retninger på én gang. Når LCMO'en blev strakt, dens polymerbagside kunne limes til en anden overflade og tages til et andet instrument til undersøgelse med røntgenstråler.

Vende elektroniske tilstande

"Eksperimenterne var ret kedelige og vanskelige, " sagde Hong, som nu er assisterende professor ved University of California, Davis. "Vi ville se på filmen, varm det op for at blødgøre limen og slappe af strækket, manipulere det på en anden måde, fryse det på plads og se på det igen."

Forskerne var i stand til direkte at måle afstanden mellem atomer og bekræfte, at den steg med strækning. De målte også den elektriske modstand af LMCO og opdagede, at strækning vendte den fra en metallisk tilstand, der let leder elektricitet til en isolerende tilstand, hvilket ikke gør. Anvendelse af et stærkt magnetfelt ændrede materialets magnetiske tilstand og vendte det også tilbage til at være et metal.

"Som et videnskabeligt værktøj er dette virkelig spændende, " sagde Hong. "Det åbner muligheder for mekanisk at manipulere brede klasser af materialer på måder, vi ikke kunne gøre før. Og det giver os ideer til, hvordan vi kan designe fleksible materialer til elektroniske enheder, inklusive sensorer og detektorer, der måler meget små ændringer."