Kæmpe stigning i ledningsevne målt, når en halvleder udsættes for højt tryk

ICN2 Oxide Nanoelectronics Group har opnået konduktivitetsværdier for stronciumiridat 250 gange højere end under normale forhold ved at trykke det med nanometriske nåle. Resultaterne, udgivet i Nanoskala , blev opnået via et atomkraftmikroskop (AFM), der viser, at materialet kan blive en god kandidat til fremtidige anvendelser inden for sensorer og elektronik.

Forskere fra Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) har målt, ved stuetemperatur, de højeste værdier af piezoresistivitet nogensinde fundet i et elektrokeramisk materiale, overvinde registrene for materialer som silicium nanotråde eller grafen. I øvrigt, det blev målt med en simpel teknik, der undgår brugen af ​​komplekst udstyr til at styre trykket. Forskningen er udført af Oxide Nanoelectronics Group, ledet af prof ICREA Gustau Catalan. Dr. Neus Domingo er den første underskriver af artiklen offentliggjort i Nanoskala og hendes bidrag har været afgørende for udviklingen af ​​forskningen.

Piezoresistivitet opstår, når visse materialer ændrer deres elektriske ledningsevne, når der påføres et deformerende tryk. Dette skyldes, at isolator- og halvledermaterialer har meget specielle elektriske egenskaber, som resulterer i bånd med forskellige egenskaber:valensbåndet, hvor elektroner er 'parkeret', og ledningsbåndet, hvor den elektriske strøm løber. Disse bånd er adskilt af et energigab; når mellemrummet er tyndt, antallet af elektroner i ledningsbåndet er højere og, følgelig, den elektriske ledningsevne er også højere.

Når der påføres tryk på visse halvledermaterialer, båndgabet, som adskiller ledningsbåndet og valensbåndet, modificeres. Dette tillader elektroner at hoppe til ledningsbåndet, som følgelig formindskelse af materialets elektriske modstand. Med andre ord, når materialet presses, der er bedre el-ledning. Dette faktum fører til en bred vifte af mulige anvendelser, fra tryksensorer til mikroelektroniske transistorer, hvor strømmen styres af tryk i stedet for spænding.

En nanoskopisk nål til at studere høje tryk

På ICN2 laboratorierne, Prof. Catalans gruppe målte en kæmpe piezoresistivitet i et keramisk materiale, stroncium iridat (Sr ₂ IrO ₄ ). Foranstaltningerne blev foretaget med et atomkraftmikroskop (AFM), en enhed, der bruger nanoskopisk slebne nåle, der presser materialet og kvantificerer dets ledningsevne på samme tid. Dette er en ny og fantasifuld måde at bruge dette udstyr på, fordi det er første gang, at AFM-nålen bruges til at måle et materiales piezoresistivitet.

AFM-nålen er så lille, at en lille kraft oversættes til en høj trykværdi. Mindre end 1 mg kraft (ca. en myres vægt) påført over en nanoskopisk nål konverteres til en trykværdi på over 100 tons (vægten af ​​20 elefanter) pr. kvadratcentimeter. Faktisk, trykket er så højt (til 10GPa), at diamantspidser skulle bruges for at forhindre nålen i at knuse.

Med dette trykniveau, forskere har opnået ledningsevneværdier for Sr ₂ IrO ₄ 250 gange højere end under normale forhold. Bemærkelsesværdigt, på trods af deformationer over 500 gange, prøven led ingen skade. I øvrigt, piezoresistiviteten er blevet målt ved stuetemperatur. Afslutningsvis, denne halvleder kunne være en god kandidat til fremtidige anvendelser inden for sensorer, nye former for transistorer og andre specialiserede elektroniske enheder. Imidlertid, iridium er et knapt element på vores planet, så videnskabsmænd leder efter alternative materialer.