Omskifteligt materiale kunne muliggøre nye hukommelseschips

To MIT-forskere har udviklet et tyndfilmsmateriale, hvis fase og elektriske egenskaber kan skiftes mellem metallisk og halvledende blot ved at påføre en lille spænding. Materialet forbliver derefter i sin nye konfiguration, indtil det skiftes tilbage af en anden spænding. Opdagelsen kan bane vejen for en ny form for "ikke-flygtig" computerhukommelseschip, der gemmer information, når strømmen slukkes, og til energiomdannelse og katalytiske applikationer.

Fundene, rapporteret i journalen Nano bogstaver i et papir af MIT materialevidenskab kandidatstuderende Qiyang Lu og lektor Bilge Yildiz, involverer et tyndfilmsmateriale kaldet strontiumcobaltit, eller SrCoO _x .

Som regel, Yildiz siger, den strukturelle fase af et materiale er styret af dets sammensætning, temperatur, og tryk. "Her for første gang, " hun siger, "Vi demonstrerer, at elektrisk bias kan inducere en faseovergang i materialet. Og faktisk opnåede vi dette ved at ændre iltindholdet i SrCoO _x ."

"Den har to forskellige strukturer, der afhænger af, hvor mange oxygenatomer pr. celleenhed den indeholder, og disse to strukturer har ret forskellige egenskaber, " forklarer Lu.

En af disse konfigurationer af den molekylære struktur kaldes perovskit, og den anden hedder brunmillerit. Når der er mere ilt til stede, den danner det tæt lukkede, burlignende krystalstruktur af perovskit, hvorimod en lavere koncentration af oxygen frembringer den mere åbne struktur af brownmillerit.

De to former har meget forskellige kemikalier, elektriske, magnetiske, og fysiske egenskaber, og Lu og Yildiz fandt ud af, at materialet kan vendes mellem de to former ved påføring af en meget lille mængde spænding - kun 30 millivolt (0,03 volt). Og, en gang ændret, den nye konfiguration forbliver stabil, indtil den vendes tilbage af en anden påføring af spænding.

Strontium cobaltites er blot et eksempel på en klasse af materialer kendt som overgangsmetaloxider, som anses for lovende til en række anvendelser, herunder elektroder i brændselsceller, membraner, der tillader oxygen at passere igennem til gasseparation, og elektroniske enheder såsom memristorer - en form for ikke-flygtige, ultrahurtig, og energieffektiv hukommelsesenhed. Evnen til at udløse en sådan faseændring ved brug af blot en lille spænding kunne åbne op for mange anvendelser for disse materialer, siger forskerne.

Tidligere arbejde med strontiumcobaltitter var afhængige af ændringer i iltkoncentrationen i den omgivende gasatmosfære for at kontrollere, hvilken af ​​de to former materialet ville tage, men det er i sagens natur en meget langsommere og sværere proces at kontrollere, siger Lu. "Så vores idé var, skift ikke atmosfæren, bare påfør en spænding."

"Spænding ændrer det effektive ilttryk, som materialet står over for, " tilføjer Yildiz. For at gøre det muligt, forskerne afsatte en meget tynd film af materialet (den brune milleritfase) på et substrat, hvortil de brugte yttrium-stabiliseret zirconia.

I den opsætning påføring af en spænding driver oxygenatomer ind i materialet. Påføring af den modsatte spænding har den omvendte effekt. For at observere og demonstrere, at materialet faktisk gennemgik denne faseovergang, når spændingen blev påført, holdet brugte en teknik kaldet in-situ røntgendiffraktion på MIT's Center for Materials Science and Engineering.

Det grundlæggende princip om at skifte dette materiale mellem de to faser ved at ændre gastrykket og temperaturen i miljøet blev udviklet inden for det sidste år af forskere ved Oak Ridge National Laboratory. "Selvom det er interessant, dette er ikke et praktisk middel til at kontrollere enhedsegenskaber i brug, " siger Yildiz. Med deres nuværende arbejde, MIT-forskerne har muliggjort kontrol af fase og elektriske egenskaber af denne klasse af materialer på en praktisk måde, ved at påføre en elektrisk ladning.

Ud over hukommelsesenheder, materialet kan i sidste ende finde anvendelse i brændselsceller og elektroder til lithium-ion-batterier, siger Lu.

"Vores arbejde har grundlæggende bidrag ved at introducere elektrisk bias som en måde at kontrollere fasen af ​​et aktivt materiale, og ved at lægge det grundlæggende videnskabelige grundlag for sådanne nye energi- og informationsbehandlingsanordninger, " tilføjer Yildiz.

I løbende forskning, holdet arbejder på bedre at forstå materialets elektroniske egenskaber i dets forskellige strukturer, og at udvide denne tilgang til andre oxider af interesse til hukommelses- og energianvendelser, i samarbejde med MIT-professor Harry Tuller.

José Santiso, lederen af ​​nanomaterialevækstafdelingen ved Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology i Barcelona, Spanien, som ikke var involveret i denne forskning, kalder det "et meget væsentligt bidrag" til studiet af denne interessante klasse af materialer, og siger "det baner vejen for anvendelsen af ​​disse materialer både i faststof elektrokemiske enheder til effektiv omdannelse af energi eller iltlagring, såvel som i mulige applikationer i en ny slags hukommelsesenheder."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.