Ekstrem isolerende-til-ledende nanotråde lover nye applikationer

(Phys.org) – Forskere er lige begyndt at opdage og undersøge materialer, der kan ændre sig fra isolatorer til ledere ved stuetemperatur under en påført spænding. Der er kun få kendte eksempler, men deres potentiale for brug i nye teknologier – lige så futuristisk som "usynlighedskappen" iført af Harry Potter i bogserien af ​​samme navn – er meget spændende.

Hos NSLS, forskere har studeret en ny tilføjelse til denne elitegruppe – nanotråde lavet af vanadiumoxidbronze – og målt drastisk, aldrig før sete overgange fra isolator til leder. Deres arbejde antyder også, hvad der sker på atomniveau. Dette er et afgørende skridt i retning af at udvikle mulige applikationer, som omfatter en type computerhukommelse kendt som en memristor, nu under udvikling hos nogle virksomheder; nye varianter af elektrokrome belægninger, tynde film, der reversibelt ændrer farve som reaktion på en påført spænding; og transistorer.

Her, forskere fra University of Buffalo brugte flere røntgen- og mikroskopimetoder til at studere nanotrådene, nogle for at karakterisere ledningerne efter syntese og andre for at "se", hvad der skete, når ledningerne blev presset til pellets og udsat for et elektrisk felt. Sammen, teknikkerne giver et detaljeret billede af ledningernes atomare og elektroniske strukturer før og efter overgangen.

Trådene er lavet af grundstofferne vanadium, ilt, og bly (i form af positive ioner). Gruppen skabte dem ved hjælp af en syntesemetode, der giver prøver af meget høj kvalitet. Dette er en vigtig bedrift i sig selv, da manglende evne til at skabe prøver med strukturer, der er næsten fejlfrie, tidligere har været en vejspærring for at studere disse materialer, da for mange ufuldkommenheder kvæler fænomenet.

Når gruppen påførte en spænding til nanotråds pellets, de så strømmen stige meget langsomt og derefter stige ved en vis tærskelspænding. Selvom denne effekt var den mest dramatiske ved kolde temperaturer, det var stadig tydeligt op til stuetemperatur.

Røntgenmålinger indikerer, at mekanismen bag overgangen er en oversvømmelse af ladningsbærere (elektroner), der opstår, når spændingen når tærsklen. Denne stigning i bærertæthed "smelter" ladningsbestillingsmønsteret, det ordnede arrangement af steder inden for atomgitteret, hvor elektronerne samles.

"Disse nanotråde udgør en sjælden tilføjelse til listen over materialer, der udviser en udtalt elektrisk afstembar metal-isolator-overgang ved stuetemperatur, " sagde Sarbajit Banerjee fra University of Buffalo, undersøgelsens ledende forsker. "Elektrisk inducering af en tærskelbærertæthed kan afsløre en bred vifte af eklektiske transportfænomener i disse materialer, og vi er spændte på at undersøge dette nærmere."

Derudover gruppens analyse viser, at hver nanotråd er næsten perfekt krystallinsk og, med en gennemsnitlig diameter på 170 nanometer (nm) og en længde på mindst 500 gange så lang, har et højt "formatforhold". For en nanotråd, dette er en meget ønskværdig kvalitet, da den tillader strøm at flyde ned ad en ekstremt smal, næsten endimensionel kanal. Vanadiumoxidet antager tre forskellige molekyleformer, hver danner kæder, der strækker sig i hele trådens længde. Blyionerne er placeret i tunnelerne mellem kæderne.

Den del af røntgenforskningen, der blev udført på NSLS, fandt sted på beamlines U7A og X23A2. Hele undersøgelsen blev offentliggjort online den 17. august, 2012, i Avancerede funktionelle materialer .