Ved at begrænse transporten af ​​elektroner og ioner, videnskabsmænd viser, at de kan ændre materialeegenskaber

Som krusninger i en dam, elektroner bevæger sig som bølger gennem materialer, og når de kolliderer og interagerer, de kan give anledning til nye og interessante mønstre.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har set en ny slags bølgemønster opstå i en tynd film af metaloxid kendt som titaniumoxid, når dens form er begrænset. Indespærring, handlingen med at begrænse materialer inden for en grænse, kan ændre et materiales egenskaber og molekylers bevægelse gennem det.

I tilfælde af titania, det fik elektroner til at interferere med hinanden i et unikt mønster, hvilket øgede oxidets ledningsevne, eller i hvilken grad den leder elektricitet. Det hele skete på mesoskalaen, en skala, hvor forskerne kan se både kvanteeffekter og bevægelse af elektroner og molekyler.

Dette arbejde giver videnskabsfolk mere indsigt i, hvordan atomer, elektroner og andre partikler opfører sig på kvanteniveau. Sådan information kan hjælpe med at designe nye materialer, der kan behandle information og være nyttige i andre elektroniske applikationer.

"Det, der virkelig adskilte dette arbejde, var størrelsen af ​​den skala, vi undersøgte, " sagde hovedforfatter Frank Barrows, en kandidatstuderende fra Northwestern University i Argonnes Materials Science Division (MSD). "At undersøge på denne unikke længdeskala gjorde det muligt for os at se virkelig interessante fænomener, der indikerer, at der sker interferens på kvanteniveau, og samtidig få ny information om, hvordan elektroner og ioner interagerer."

Ændring af geometri for at ændre materialeegenskaber

Normalt, når en elektrisk strøm påføres et oxid som titandioxid, elektroner strømmer gennem materialet i en simpel bølgeform. På samme tid, ioner – eller ladede partikler – bevæger sig også rundt. Disse processer giver anledning til materialets elektroniske transportegenskaber, såsom ledningsevne og modstand, som udnyttes i design af næste generations elektronik.

"Det, vi gjorde i vores undersøgelse, var at prøve at forstå, hvordan vi kan ændre materialeegenskaber ved at begrænse filmens geometri eller form, " sagde medforfatter Charudatta Phatak, en materialeforsker og gruppeleder i Argonnes MSD.

At begynde, forskere skabte film af titanium, derefter konstrueret et mønster på dem. I mønsteret var huller, der kun var 10 til 20 nanometer fra hinanden. Tilføjelse af det geometriske mønster ændrede elektronernes bevægelse på samme måde, som at kaste sten i en vandmasse ændrer bølgerne, der bølger igennem den. I tilfælde af titania, mønsteret fik elektronbølger til at interferere med hinanden, hvilket fik oxidet til at lede mere elektricitet.

"Interferensmønsteret holdt dybest set på plads ilten eller ionerne, der normalt ville bevæge sig i materialer som titaniumdioxid. Og vi fandt ud af, at det var vigtigt eller nødvendigt at holde dem på plads for at få konstruktiv interferens af disse bølger, " sagde Phatak.

Forskerne undersøgte ledningsevne og andre egenskaber ved hjælp af to teknikker:Elektronholografi og elektronenergitabsspektroskopi. Til det formål, de udnyttede ressourcer på Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet, at fremstille deres prøver og foretage nogle af målingerne.

"Vi ville ikke have været i stand til at se dette unikke mønster af interferens, hvis vi ikke var i stand til at producere nok af disse huller i et mønster, hvilket er meget svært at gøre, " sagde Barrows. "Ekspertise og ressourcer hos CNM og Argonne's Materials Science Division viste sig at være afgørende for at hjælpe os med at observere denne nye adfærd."

Fremtidige ansøgninger

I fremtiden, hvis forskere bedre kan forstå, hvad der gav anledning til stigningen i ledningsevnen, de kunne potentielt finde måder at kontrollere elektriske eller optiske egenskaber på og udnytte denne information til kvanteinformationsbehandling. Indsigt kan også bruges til at udvide vores forståelse af materialer, der kan ændre modstand. Modstand måler, hvor meget et materiale modstår strømmen af ​​elektroner i en elektrisk strøm.

"Modstandsskiftende materialer er af interesse, fordi de kan være informationsbærere - den ene modstandstilstand kan være 0, og den anden kan være 1, " sagde Phatak. "Det, vi har gjort, kan give os lidt mere indsigt i, hvordan vi kan kontrollere disse egenskaber ved at bruge geometriske begrænsninger."