Meget følsom røntgenspredning viser, hvorfor et eksotisk materiale nogle gange er et metalisolator

Forskere har længe været fascineret af materialet vanadiumdioxid, som kan skifte mellem en metallisk og en isolerende tilstand, når den opvarmes eller afkøles. Denne usædvanlige egenskab har potentiale for anvendelser inden for elektronik og energilagring, men videnskabsmænd har ikke fuldt ud forstået de grundlæggende mekanismer bag denne overgang.

Nu har et team af forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University brugt en kraftig røntgenspredningsteknik til at undersøge atomstrukturen af ​​vanadiumdioxid under denne overgang. Deres resultater, offentliggjort i Nature Materials, afslører en ny forståelse af, hvordan materialets atomer omarrangeres, når det skifter tilstand, og kunne hjælpe videnskabsmænd med at designe materialer med lignende egenskaber til specifikke anvendelser.

"Vanadiumdioxid er et spændende materiale på grund af dets potentiale for anvendelser, men dets opførsel har været et puslespil," sagde SLAC Staff Scientist Giulia Mancini, der ledede undersøgelsen. "Vi ønskede at forstå, hvorfor det skifter fra et metal til en isolator, og hvad de atomare mekanismer bag denne ændring er."

Når det opvarmes til over en vis temperatur, gennemgår vanadiumdioxid en strukturel transformation, hvor atomerne i dets krystalgitter pludselig omarrangeres. Denne ændring får materialet til at miste sine metalliske egenskaber og blive en isolator, hvilket betyder, at det ikke længere leder elektricitet godt.

Forskerne brugte SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS), en fri-elektronlaser, der producerer ekstremt intense røntgenimpulser, til at studere atomstrukturen af ​​vanadiumdioxid, mens den gennemgår denne overgang. Ved at affyre disse impulser mod prøver af materialet, kunne de fange øjebliksbilleder af atompositionerne med hidtil usete detaljer.

Deres resultater viste, at omlejringen involverer en subtil ændring i hældningen af ​​vanadium-oxygen-oktaedrene, som er byggestenene i krystalgitteret. Denne lille justering forårsager en ændring i materialets elektroniske egenskaber, hvilket fører til skiftet fra metal til isolator.

"Til vores overraskelse observerede vi en ny mellemfase i materialets overgang," sagde hovedforfatter Yixi Xu, en postdoc-forsker ved Stanford. "Denne fase kan være en nøglefaktor i forståelsen af ​​den underliggende fysik og kan hjælpe os med at designe materialer, der udviser lignende reversible transformationer til teknologiske anvendelser."

Forskerholdet planlægger at undersøge denne mellemfase yderligere og undersøge, hvordan den kan kontrolleres og bruges i fremtidige materialer til elektroniske enheder.

Undersøgelsen blev finansieret af DOE's Office of Science, SLAC's LCLS Facility og National Science Foundation.