Magiske BØNNER:Nye partikler i nanostørrelse kunne give datalagring i megastørrelse

Faseskiftende materialers evne til let og hurtigt at skifte mellem forskellige faser har gjort dem værdifulde som en lavenergikilde til ikke-flygtig eller "flash"-hukommelse og datalagring. Nu er en helt ny klasse af faseændringsmaterialer blevet opdaget af forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory og University of California Berkeley, som kunne anvendes til faseskifte random access memory (PCM) teknologier og muligvis også optisk datalagring. De nye faseændringsmaterialer - nanokrystallegeringer af et metal og en halvleder - kaldes "BEANs, "for binære eutektiske legerings-nanostrukturer.

"Faseændringer i BEAN'er, skifte dem fra krystallinsk til amorft og tilbage til krystallinske tilstande, kan induceres i løbet af nanosekunder af elektrisk strøm, laserlys eller en kombination af begge, ”Siger Daryl Chrzan, en fysiker, der har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division og UC Berkeleys Department of Materials Science and Engineering. "At arbejde med germanium tin nanopartikler indlejret i silica som vores første BEAN'er, vi var i stand til at stabilisere både de faste og amorfe faser og kunne justere kinetikken ved at skifte mellem de to blot ved at ændre sammensætningen."

Chrzan er den tilsvarende forfatter på et papir, der rapporterer resultaterne af denne forskning, som er blevet offentliggjort i tidsskriftet Nanobogstaver med titlen "Embedded Binary Eutectic Alloy Nanostructures:A New Class of Phase Change Materials."

Medforfatter af papiret med Chrzan var Swanee Shin, Julian Guzman, Chun-Wei Yuan, Christopher Liao, Cosima Boswell-Koller, Peter Stone, Oscar Dubon, Andrew Minor, Masashi Watanabe, Jeffrey Beeman, Kin Yu, Joel Ager og Eugene Haller.

"Det, vi har vist, er, at binære eutektiske legeringsnanostrukturer, såsom kvantepunkter og nanotråde, kan fungere som faseændringsmaterialer, " siger Chrzan. ”Nøglen til den adfærd, vi observerede, er indlejring af nanostrukturer i en matrix af nanoskala -mængder. Tilstedeværelsen af ​​denne nanostruktur/matrix-grænseflade muliggør en hurtig afkøling, der stabiliserer den amorfe fase, og sætter os også i stand til at tune faseændringsmaterialets transformationskinetik."

En eutektisk legering er et metallisk materiale, der smelter ved den lavest mulige temperatur for dets blanding af bestanddele. Germaniumtinforbindelsen er en eutektisk legering, der er blevet betragtet af efterforskerne som et prototypisk faseskiftemateriale, fordi det kan eksistere ved stuetemperatur i enten en stabil krystallinsk tilstand eller en metastabil amorf tilstand. Chrzan og hans kolleger fandt ud af, at når germaniumtinnanokrystaller blev indlejret i amorf silica, dannede nanokrystallerne en tolobed nanostruktur, der var halvt krystallinsk metallisk og halvt krystallinsk halvleder.

”Hurtig afkøling efter pulserende lasersmeltning stabiliserer en metastabil, amorf, sammensat blandet fasetilstand ved stuetemperatur, mens moderat opvarmning efterfulgt af langsommere afkøling returnerer nanokrystallerne til deres oprindelige tolobede krystallinske tilstand, ”Siger Chrzan. "Silicaen fungerer som et lille og meget rent reagensglas, der begrænser nanostrukturerne, så egenskaberne af BEAN/silica-grænsefladen er i stand til at diktere de unikke faseskiftegenskaber."

Selvom de endnu ikke direkte har karakteriseret de elektroniske transportegenskaber af de tolobede og amorfe BEAN-strukturer, fra undersøgelser af beslægtede systemer forventer Chrzan og hans kolleger, at transporten såvel som de optiske egenskaber af disse to strukturer vil være væsentligt forskellige, og at disse forskelle vil kunne justeres gennem ændringer i sammensætningen.

"I den amorfe legerede tilstand, vi forventer, at BEAN viser normalt, metallisk ledningsevne, ”Siger Chrzan. "I den tolobede tilstand, BEAN vil indeholde en eller flere Schottky -barrierer, der kan fås til at fungere som en diode. Med henblik på datalagring, den metalliske ledning kunne betyde et nul, og en Schottky-barriere kunne betyde et.

Chrzan og hans kolleger undersøger nu, om BEANs kan opretholde gentagne faseændringer, og om skiftet frem og tilbage mellem de bilobede og amorfe strukturer kan inkorporeres i en trådgeometri. De ønsker også at modellere strømmen af ​​energi i systemet og derefter bruge denne modellering til at skræddersy lys-/strømimpulserne til optimale faseskifteegenskaber.

In-situ transmissionselektronmikroskopi-karakteriseringerne af BEAN-strukturerne blev udført på Berkeley Labs National Center for Electron Microscopy, et af verdens førende centre for elektronmikroskopi og mikrokarakterisering.