Isolator-metal overgang på nanoskala

Styring af strømmen af ​​elektroner i kredsløb opnås gennem passende valg af materialer. Metaller tillader elektroner at flyde frit, og isolatorer forhindrer ledning. Generelt, et materiales elektriske egenskaber bestemmes, når materialet fremstilles og kan ikke ændres bagefter uden at ændre materialet. Imidlertid, der er materialer, der kan udvise metal- eller isolatoradfærd afhængigt af deres temperatur. At kunne skifte deres egenskaber, disse materialer kan føre til en ny generation af elektroniske enheder.

Vanadiumdioxid (VO2) er et sådant materiale. Den kan skifte fra en isolerende fase til en metallisk fase lige over stuetemperatur, en funktion, der allerede er udnyttet til sensorer. Imidlertid, grunden til, at dens egenskaber ændrer sig så dramatisk, har været et spørgsmål om videnskabelig debat i over 50 år.

En af udfordringerne med at forstå, hvorfor og hvordan dette skifte sker, er en proces kaldet faseadskillelse. Isolator-metal faseovergangen svarer til is-væske-overgangen i vand. Når isen smelter, både flydende og fast vand kan eksistere side om side i separate regioner. Tilsvarende i VO2, isolerende og metalliske områder af materialet kan eksistere side om side under overgangen. Men i modsætning til vand, hvor de to faser ofte er store nok til at se med det blotte øje, i VO2, denne adskillelse sker på nanoskala, og det er derfor udfordrende at observere. Som resultat, det har været svært at afgøre, om de sande egenskaber for hver fase, eller en blanding af begge faser, bliver målt.

Røntgenstråler er et nøgleværktøj til at forstå materialers egenskaber, men det er svært at bygge linser til mikroskoper, der kan registrere dem. Imidlertid, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Nano bogstaver , et team af forskere fra ICFO og ALBA i Barcelona, Technisch Universitat og Max-Born Institute i Berlin, og Vanderbilt University i Tennessee, har endelig været i stand til at sondere de faseovergange, der forekommer i tynde film af VO2 ved hjælp af resonant blød røntgenholografi. Denne teknik er i stand til at afbilde de elektroniske og strukturelle ændringer i dette materiale med en hidtil uset opløsning på nanoskala uden behov for en linse.

Ved at se på materialet med 50 nm opløsning, forskerne kunne observere, at defekter i materialet spiller en vigtig rolle i initieringen af ​​faseovergangen fra isolatoren til metallet. Imidlertid, vigtigere, forfatterne observerede også en tredje mellemliggende tilstand dannet under fasetransformationen. Mens nogle regioner transformerede sig direkte fra den isolerende til den metalliske fase, andre forvandlet til et sekund, forskellige isoleringstilstande, før de bliver metalliske ved højere temperaturer med den nøjagtige vej, der tages afhængigt af defekterne i materialet. Sameksistensen af ​​tre faser har radikalt ændret synspunkterne fra tidligere undersøgelser, der antog tilstedeværelsen af ​​kun to stater under overgangen. Endnu mere, undersøgelsen præsenterer nye måder, hvorpå overgangen kunne kontrolleres.

Ud over de opnåede resultater om faseovergangen i VO2, arbejdet fremhæver også de muligheder, som røntgenholografi tilbyder for at studere materialer på nanoskalaen. Teknikken er den eneste metode, der kan afbilde real-time nanoskala dynamik og bliver nu brugt til at studere egenskaberne af andre spændende materialer såsom højtemperatur superledere.