Keinotekoisilla materiaaleilla tehoa elektroniikkaan

Skannausläpäisyelektronimikroskooppikuva superhilasta, joka koostuu vuorottelevista sekvensseistä 5 atomin yksikön soluista neodyymi-nikelaattia (sininen) ja 5 atomiyksikön soluista samarium-nikelaattia (keltainen).

Monet tutkijat ympäri maailmaa kehittelevät keinotekoisten materiaalien tuottamista "suunnittelulla", ts. ominaisuuksilla, jotka sopivat erityistarpeisiin.

Nyt Geneven yliopiston (UNIGE) johdolla tutkijat ovat löytäneet toistaiseksi tuntemattoman fysikaalisen ilmiön materiaalista, joka koostuu erittäin ohuista nikkelaattien kerroksista.

Nikkelaattien erityisominaisuus, on että ne muuttuvat yhtäkkiä eristävästä tilasta sähköisesti johtavaa tilaan, kun niiden lämpötila nousee tietyn kynnyksen yläpuolelle. Tutkimus tehtiin näytteillä, jotka koostuivat toistuvista samarium-nikelaattikerroksista, jotka on kerrostettu neodyymi-nikelaattikerroksiin, jossa kaikki atomit ovat järjestyneet täydellisesti.

Artikkelin ensimmäinen kirjoittaja Claribel Domínguez selittää: "Kun kerrokset ovat melko paksuja, ne käyttäytyvät itsenäisesti, jokaisen toimiessa omassa siirtymälämpötilassa. Kummallista, kun ohennamme kerroksia vain kahdeksaan atomiin, koko näyte alkoi käyttäytyä kuin yksi materiaali, tuottaen suuren johtavuuden hypyn vain yhdellä siirtymälämpötilalla."

Tutkijat päättelivät, että kiderakenteen muodonmuutosten eteneminen materiaalien välisissä rajapinnoissa tapahtuu vain kahdessa tai kolmessa atomikerroksessa. Kyseinen muodonmuutos ei kuitenkaan selitä havaittua ilmiötä. Todellisuudessa näyttää siltä, että kauimpana olevat kerrokset tietävät jotenkin olevansa lähellä rajapintaa, mutta ilman että ne ovat fyysisesti muotoaan muuttaneita.

Perimmiltään tutkimus osoitti, että johtavan alueen ja eristävän alueen välisen rajapinnan ylläpitäminen on energian suhteen erittäin kallista. Mutta kun nämä kaksi kerrosta ovat riittävän ohuet, ne pystyvät omaksumaan paljon vähemmän energiaintensiivinen käyttäytymisen, joka muodostuu yhdeksi materiaaliksi tulemisesta, joka on täysin metallinen tai eristävä ja jolla on yhteinen siirtymälämpötila. Ja kaikki tämä tapahtuu muuttamatta kiderakennetta. Tämä vaikutus tai kytkentä on ennennäkemätön, toteavat tutkijat, yliopistonsa tiedotteessa.

Hiroshiman yliopiston tutkijat ovat puolestaan löytäneet massattomasti käyttäytyviä elektroneja kalkogenidisessa faasimuutosmateriaalissa.

Faasimuutosmateriaalit ovat herättäneet paljon huomiota johtuen niiden kahden faasin välisestä terävästä kontrastista optisissa ja sähköisissä ominaisuuksissa.

Esimerkiksi nyt tutkitun GeSb2Te4 atomirakenne siirtyy amorfisesta kiteiseen lämmitettäessä. Kummallakin rakenteella on yksilölliset ominaisuudet ja ne ovat palautuvia, mikä tekee yhdisteestä ihanteellisen materiaalin käytettäväksi elektronisissa laitteissa, joissa informaatiota voidaan kirjoittaa ja uudelleenkirjoittaa useita kertoja.

Amorfisen faasin elektronista rakennetta on jo aiemmin tutkittu esimerkiksi PCM-materiaalien suhteen mutta kiteisen faasin elektronisen rakenteen kokeellista tutkimusta ei ole tehty.

Nyt havaittiin, että GeSb2Te4:n kiteinen faasi käyttäytyy samalla tavalla kuin grafeeni. He havaitsivat myös, että kiteisen rakenteen pinnalla on samanlaisia ominaispiirteitä kuin topologisella eristeellä.

"Amorfisessa faasissa esiintyy puolijohdeominaisuuksia, joilla on suuri sähköinen resistanssi, kun taas kiteinen faasi käyttäytyy kuin metalli, jolla on paljon alhaisempi resistanssi", kertoo apulaisprofessori Munisa Nurmamat, Hiroshiman yliopistolta. "GeSb2Te4:n kiteistä faasia voidaan tarkastella kuin 3D-analogina grafeenille."

Grafeenin 3D-versiona GeSb2Te4 yhdistää nopeuden ja joustavuuden seuraavan sukupolven sähköisten kytkinlaitteiden suunnitteluun arvioivat tutkijat.

Aiheista aiemmin:

Uusia vihjeitä suprajohtavuudesta

Grafeenimaista kolmiulotteista materiaalia