Kunstige materialer til mere effektiv elektronik

Opdagelsen af ​​en hidtil uset fysisk effekt i et nyt kunstigt materiale markerer en væsentlig milepæl i den langvarige proces med at udvikle "made-to-order" materialer og mere energieffektiv elektronik.

Nutidens siliciumbaserede elektronik forbruger en væsentlig og stadigt stigende andel af verdens energi. En række forskere udforsker egenskaberne af materialer, der er mere komplekse end silicium, men som viser lovende for fremtidens elektroniske enheder - og som er mindre elektricitetshungrende. I overensstemmelse med denne tilgang, videnskabsmænd fra universitetet i Genève (UNIGE) har arbejdet i samarbejde med det schweiziske føderale teknologiske institut i Lausanne (EPFL), universitetet i Zürich, Flatiron Institute of New York og University of Liège. Forskerne har opdaget et hidtil ukendt fysisk fænomen i et kunstigt materiale, der består af meget tynde lag nikkelater. Dette kunne udnyttes til nøjagtigt at kontrollere nogle af materialets elektroniske egenskaber, såsom den pludselige overgang fra en ledende til en isolerende tilstand. Det kan også bruges til at udvikle nye, mere energieffektive enheder. Du kan læse om dette teknologiske fremskridt i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Nikkelater er kendt for en særlig egenskab:de skifter pludselig fra en isolerende tilstand til en elektrisk leders tilstand, når deres temperatur stiger over en vis tærskel, " begynder Jean-Marc Triscone, en professor ved Institut for Kvantestoffysik på UNIGEs Naturvidenskabelige Fakultet. "Denne overgangstemperatur varierer afhængigt af materialets sammensætning."

Nikkelater dannes af et nikkeloxid med tilsætning af et atom, der tilhører såkaldte "sjældne jordarters"-elementer (dvs. et sæt af 17 grundstoffer fra det periodiske system). Når denne sjældne jordart er samarium (Sm), for eksempel, metalisolatorspringet finder sted ved omkring 130°C, mens hvis det er neodym (Nd), tærsklen falder til -73°C. Denne forskel forklares ved, at når Sm erstattes af Nd, forbindelsens krystalstruktur er deformeret - og det er denne deformation, der styrer værdien af ​​overgangstemperaturen.

I deres forsøg på at lære mere om disse materialer, de Genève-baserede videnskabsmænd studerede prøver bestående af gentagne lag af samariumnickelat aflejret på lag af neodymnikkelat - en slags "super sandwich", hvor alle atomerne er perfekt arrangeret.

Opfører sig som et enkelt materiale

Claribel Dominguez, en forsker ved Institut for Kvantestoffysik og artiklens første forfatter, forklarer:"Når lagene er ret tykke, de opfører sig selvstændigt, hvor hver enkelt holder sin egen overgangstemperatur. Mærkeligt nok, da vi raffinerede lagene, indtil hver enkelt ikke var større end otte atomer, hele prøven begyndte at opføre sig som et enkelt materiale, med kun et stort spring i ledningsevne ved en mellemliggende overgangstemperatur."

En meget detaljeret analyse udført med elektronmikroskop på EPFL – understøttet af sofistikerede teoretiske udviklinger foretaget af amerikanske og belgiske kolleger – viste, at udbredelsen af ​​deformationerne i krystalstrukturen ved grænsefladerne mellem materialerne kun finder sted i to eller tre atomlag . Derfor, det er ikke denne forvrængning, der forklarer det observerede fænomen. I virkeligheden, det er, som om de fjerneste lag på en eller anden måde ved, at de er meget tæt på grænsefladen, men uden at være fysisk deformeret.

Det er ikke magi

"Der er ikke noget magisk ved det, " siger Jennifer Fowlie, en forsker ved Institut for Kvantestoffysik og medforfatter til artiklen. "Vores undersøgelse viser, at opretholdelse af en grænseflade mellem en ledende region og en isolerende region, som det er tilfældet i vores prøver, er meget dyrt i forhold til energi. Så, når de to lag er tynde nok, de er i stand til at antage meget mindre energikrævende adfærd, som består i at blive et enkelt materiale, enten helt metallisk eller fuldstændig isolerende, og med en fælles overgangstemperatur. Og alt dette sker uden at krystalstrukturen ændres. Denne effekt, eller kobling, er uden fortilfælde."

Denne opdagelse blev gjort mulig takket være støtten fra Swiss National Science Foundation og Q-MAC ERC Synergy Grant (Grænser i Quantum Materials' Control). Det giver en ny måde at kontrollere egenskaberne af kunstige elektroniske strukturer, hvilken, i dette tilfælde, er springet i ledningsevne opnået af Genève-forskerne i deres sammensatte nikkelat, som repræsenterer et vigtigt skridt fremad for udvikling af nye elektroniske enheder. Nikelater kan bruges i applikationer såsom piezoelektriske transistorer (reagerer på tryk).

Mere generelt, Genève-værket passer ind i en strategi for fremstilling af kunstige materialer "ved design, "dvs. med ejendomme, der opfylder et specifikt behov. Denne vej, som følges af mange forskere rundt om i verden, lover fremtidens energieffektive elektronik.