Kunstmatige materialen voor efficiëntere elektronica

De ontdekking van een ongekend fysiek effect in een nieuw kunstmatig materiaal markeert een belangrijke mijlpaal in het langdurige proces van het ontwikkelen van “op bestelling gemaakte” materialen en meer energie-efficiënte elektronica.

De op silicium gebaseerde elektronica van vandaag verbruikt een aanzienlijk en steeds groter deel van de energie in de wereld. Een aantal onderzoekers onderzoekt de eigenschappen van materialen die complexer zijn dan silicium, maar die veelbelovend zijn voor de elektronische apparaten van morgen – en die minder honger hebben naar elektriciteit. In overeenstemming met deze aanpak hebben wetenschappers van de Universiteit van Genève (UNIGE) samengewerkt met het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Lausanne (EPFL), de Universiteit van Zürich, het Flatiron Instituut van New York en de Universiteit van Luik. De wetenschappers hebben een tot nu toe onbekend fysisch fenomeen ontdekt in een kunstmatig materiaal dat is opgebouwd uit zeer dunne lagen nikkelaat. Dit zou kunnen worden benut om enkele van de elektronische eigenschappen van het materiaal nauwkeurig te regelen, zoals de plotselinge overgang van een geleidende naar een isolerende toestand. Het kan ook worden gebruikt om nieuwe, energiezuinigere apparaten te ontwikkelen. Over deze technologische vooruitgang lees je in het tijdschrift Natuurmaterialen.

“Nikkelaten staan ​​bekend om een ​​speciale eigenschap: ze schakelen plotseling over van een isolerende toestand naar die van een elektrische geleider wanneer hun temperatuur boven een bepaalde drempel komt”, begint Jean-Marc Triscone, een professor aan de afdeling Quantum Matter Physics aan de faculteit van UNIGE. van wetenschap. “Deze overgangstemperatuur is afhankelijk van de samenstelling van het materiaal.”

Nikkelaten worden gevormd uit een nikkeloxide met de toevoeging van een atoom dat behoort tot de zogenaamde “zeldzame aarde” -elementen (dwz een set van 17 elementen uit het periodiek systeem). Wanneer deze zeldzame aarde bijvoorbeeld samarium (Sm) is, vindt de metaal-isolatorsprong plaats rond 130 ° C, terwijl als het neodymium (Nd) is, de drempel daalt tot -73 ° C. Dit verschil wordt verklaard door het feit dat wanneer Sm wordt vervangen door Nd, de kristalstructuur van de verbinding wordt vervormd – en het is deze vervorming die de waarde van de overgangstemperatuur bepaalt.

In hun poging om meer over deze materialen te weten te komen, bestudeerden de in Genève gevestigde wetenschappers monsters die waren samengesteld uit herhaalde lagen samariumnikkelaat die waren afgezet op lagen neodymiumnikkelaat – een soort ‘supersandwich’ waarin alle atomen perfect gerangschikt zijn.

Gedraagt ​​zich als een enkel materiaal

Claribel Domínguez, een onderzoeker bij de afdeling Quantum Matter Physics en de eerste auteur van het artikel, legt uit: “Als de lagen behoorlijk dik zijn, gedragen ze zich onafhankelijk, waarbij elke laag zijn eigen overgangstemperatuur behoudt. Vreemd genoeg, toen we de lagen verfijnden tot elk was niet groter dan acht atomen, het hele monster begon zich als een enkel materiaal te gedragen, met slechts één grote sprong in geleidbaarheid bij een tussenliggende overgangstemperatuur. “

Een zeer gedetailleerde analyse uitgevoerd met een elektronenmicroscoop bij EPFL – ondersteund door geavanceerde theoretische ontwikkelingen van Amerikaanse en Belgische collega’s – toonde aan dat de voortplanting van de vervormingen in de kristalstructuur op de grensvlakken tussen de materialen alleen plaatsvindt in twee of drie atoomlagen. . Het is dus niet deze vervorming die het waargenomen fenomeen verklaart. In werkelijkheid is het alsof de verste lagen op de een of andere manier weten dat ze heel dicht bij de interface zijn, maar zonder fysiek vervormd te zijn.

Het is geen magie

“Er is niets magisch aan”, zegt Jennifer Fowlie, een onderzoeker bij de afdeling Quantum Matter Physics en co-auteur van het artikel. “Onze studie toont aan dat het handhaven van een interface tussen een geleidend gebied en een isolerend gebied, zoals het geval is in onze monsters, erg duur is in termen van energie. Dus als de twee lagen dun genoeg zijn, kunnen ze veel minder energie-intensief gedrag, dat erin bestaat één enkel materiaal te worden, ofwel volledig metallisch of volledig isolerend, en met een gemeenschappelijke overgangstemperatuur. En dit alles gebeurt zonder dat de kristalstructuur verandert. Dit effect, of koppeling, is ongekend. “

Deze ontdekking werd mogelijk gemaakt dankzij de steun van de Zwitserse National Science Foundation en de Q-MAC ERC Synergy Grant (Frontiers in Quantum Materials ‘Control). Het biedt een nieuwe manier om de eigenschappen van kunstmatige elektronische structuren te beheersen, wat in dit geval de sprong in geleidbaarheid is die de Genève-onderzoekers in hun composietnikkelaat hebben verkregen, wat een belangrijke stap voorwaarts betekent voor de ontwikkeling van nieuwe elektronische apparaten. Nikkelaten kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals piëzo-elektrische transistors (reageren op druk).

Meer in het algemeen past het werk van Genève in een strategie voor het produceren van kunstmatige materialen “door ontwerp”, dwz met eigenschappen die aan een specifieke behoefte voldoen. Deze weg, die door veel onderzoekers over de hele wereld wordt gevolgd, is veelbelovend voor toekomstige energiezuinige elektronica.