Door het transport van elektronen en ionen te beperken, laten wetenschappers zien dat ze materiaaleigenschappen kunnen veranderen

Als rimpelingen in een vijver reizen elektronen als golven door materialen, en wanneer ze botsen en op elkaar inwerken, kunnen ze aanleiding geven tot nieuwe en interessante patronen.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuw soort golfpatroon zien ontstaan ​​in een dunne film van metaaloxide die bekend staat als titania wanneer de vorm beperkt is. Opsluiting, de handeling van het beperken van materialen binnen een grens, kan de eigenschappen van een materiaal en de beweging van moleculen erdoorheen veranderen.

In het geval van titania zorgde het ervoor dat elektronen met elkaar interfereerden in een uniek patroon, wat de geleidbaarheid van het oxide verhoogde, of de mate waarin het elektriciteit geleidt. Dit gebeurde allemaal op mesoschaal, een schaal waarop wetenschappers zowel kwantumeffecten als de beweging van elektronen en moleculen kunnen zien.

Dit werk biedt wetenschappers meer inzicht in hoe atomen, elektronen en andere deeltjes zich op kwantumniveau gedragen. Dergelijke informatie kan helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen die informatie kunnen verwerken en nuttig kunnen zijn in andere elektronische toepassingen.

“Wat dit werk echt onderscheidde, was de omvang van de schaal die we hebben onderzocht”, zegt hoofdauteur Frank Barrows, een afgestudeerde student van de Northwestern University in Argonne’s Materials Science Division (MSD). “Onderzoek op deze unieke lengteschaal stelde ons in staat om echt interessante verschijnselen te zien die erop wijzen dat er interferentie plaatsvindt op kwantumniveau, en tegelijkertijd nieuwe informatie te verkrijgen over hoe elektronen en ionen op elkaar inwerken.”

Geometrie wijzigen om materiaaleigenschappen te wijzigen

Normaal gesproken, wanneer een elektrische stroom wordt toegepast op een oxide zoals titania, stromen elektronen door het materiaal in een eenvoudige golfvorm. Tegelijkertijd bewegen ook ionen – of geladen deeltjes – rond. Deze processen geven aanleiding tot de elektronische transporteigenschappen van het materiaal, zoals geleidbaarheid en weerstand, die worden benut bij het ontwerp van de volgende generatie elektronica.

“Wat we in ons onderzoek deden, was proberen te begrijpen hoe we materiaaleigenschappen kunnen veranderen door de geometrie of vorm van de film te beperken”, zegt co-auteur Charudatta Phatak, een materiaalwetenschapper en groepsleider in Argonne’s MSD.

Om te beginnen maakten onderzoekers films van titania en ontwierpen ze er vervolgens een patroon op. In het patroon zaten gaten die slechts 10 tot 20 nanometer van elkaar verwijderd waren. Door het geometrische patroon toe te voegen, veranderde de beweging van elektronen op dezelfde manier als het gooien van stenen in een watermassa de golven verandert die er doorheen rimpelen. In het geval van titania zorgde het patroon ervoor dat elektronengolven met elkaar interfereerden, waardoor het oxide meer elektriciteit ging geleiden.

“Het interferentiepatroon hield in feite de zuurstof of ionen op hun plaats die normaal in materialen zoals titanium zouden bewegen. En we ontdekten dat het belangrijk of noodzakelijk was om die op hun plaats te houden om constructieve interferentie van die golven te krijgen,” zei Phatak.

De onderzoekers onderzochten geleidbaarheid en andere eigenschappen met behulp van twee technieken: elektronenholografie en elektronenenergieverliesspectroscopie. Daartoe maakten ze gebruik van middelen bij Argonne’s Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science User Facility, om hun monsters te fabriceren en enkele metingen uit te voeren.

“We zouden dit unieke interferentiepatroon niet hebben kunnen zien als we niet genoeg van deze gaten in een patroon hadden kunnen produceren, wat erg moeilijk is om te doen”, zei Barrows. “Expertise en middelen bij de CNM en Argonne’s Materials Science Division bleken van cruciaal belang om ons te helpen dit opkomende gedrag te observeren.”

Toekomstige toepassingen

Als onderzoekers in de toekomst beter kunnen begrijpen wat de oorzaak was van de toename van de geleidbaarheid, zouden ze mogelijk manieren kunnen vinden om elektrische of optische eigenschappen te regelen en deze informatie te benutten voor de verwerking van kwantuminformatie. Inzichten kunnen ook worden gebruikt om ons begrip van materialen die weerstand kunnen veranderen uit te breiden. Weerstand meet hoeveel een materiaal weerstand biedt aan de stroom van elektronen in een elektrische stroom.

“Weerstandschakelmaterialen zijn interessant omdat ze informatiedragers kunnen zijn – de ene weerstandstoestand kan 0 zijn en de andere kan 1 zijn”, zei Phatak. “Wat we hebben gedaan, kan ons wat meer inzicht geven in hoe we deze eigenschappen kunnen beheersen door geometrische opsluitingen te gebruiken.”