Il termine lega di solito si riferisce a una miscela di diversi metalli. Però, altri materiali possono anche essere legati. Nel settore dei semiconduttori, ad esempio, le leghe di ossido e nitruro sono state a lungo utilizzate con successo per mettere a punto le proprietà funzionali del materiale. Generalmente, questi cambiamenti avvengono gradualmente e le proprietà dei materiali di base sono ancora facilmente riconoscibili.

Però, se si mescolano composti con strutture cristalline ineguagliabili, si formano "leghe eterostrutturali". In queste leghe, le variazioni di struttura dipendono dal rapporto di miscelazione dei componenti. Qualche volta, ciò produce proprietà sorprendenti che differiscono notevolmente da quelle dei materiali di base. Sono queste leghe di ossido che interessano al ricercatore dell'Empa Sebastian Siol. Non vuole solo scoprirle, ma renderli utilizzabili per la vita di tutti i giorni. Nella sua ricerca per trovare il materiale desiderato, deve tenere d'occhio diverse proprietà dei materiali contemporaneamente, come la struttura, le proprietà elettroniche e la stabilità a lungo termine.

Siol è entrato a far parte dell'Empa lo scorso anno. In precedenza, ha condotto ricerche presso il National Renewable Energy Research Laboratory (NREL) a Golden, Colorado, dove ha lasciato una notevole pubblicazione:le leghe a "pressione negativa". Insieme ai suoi colleghi, ha mescolato seleniuro di manganese e tellururo di manganese usando una tecnica a vapore freddo (magnetron sputtering). A certi rapporti, i materiali di base si sono fusi per formare un reticolo cristallino che era "scomodo" per entrambi i componenti. Nessuno dei partner potrebbe forzare la sua struttura cristallina preferita, che preferisce allo stato puro, sull'altro.

Il compromesso che ne risultò fu una nuova fase, che normalmente si formerebbe solo a "pressione negativa", cioè quando il materiale è permanentemente esposto a tensione. Questi materiali sono estremamente difficili da produrre in condizioni normali. Siol ei suoi colleghi di NREL sono riusciti a superare questa difficoltà. Il nuovo materiale, ora accessibile grazie a questo metodo, mostra molte proprietà utili. Ad esempio, è piezoelettrico. In altre parole, può essere utilizzato per generare elettricità, produrre rivelatori o condurre esperimenti sui semiconduttori, cosa che non sarebbe stata possibile con i materiali di base puri.

Ricerca di sistemi stabili

All'Empa, Siol porterà in tavola la sua esperienza nella realizzazione di leghe di ossido “impossibile”. Ha lo scopo di scoprire miscele di ossidi con una struttura variabile e quindi stabilizzarle a tal punto da renderle adatte all'uso quotidiano. Il Laboratorio per le tecnologie di giunzione e la corrosione, guidato da Lars Jeurgens, ha una vasta esperienza nelle applicazioni pratiche per strati di ossido e leghe stabili. Il focus iniziale è sugli ossidi misti di titanio e ossido di tungsteno, che potrebbe essere di interesse per i rivestimenti delle finestre, tecnologia dei semiconduttori o tecnologia dei sensori. La collega di Siol, Claudia Cancellieri, sta studiando da diversi anni le proprietà elettroniche delle interfacce di ossido e contribuisce con la sua esperienza al progetto.

"La combinazione di materiali è molto eccitante, " spiega Siol. Gli ossidi di titanio sono estremamente stabili e utilizzati nelle celle solari, pitture murali e dentifricio. Ossidi di tungsteno, d'altra parte, sono relativamente instabili e vengono utilizzati per finestre intelligenti, sensori di gas o come convertitori catalitici in petrolchimica. "Nel passato, la ricerca spesso si è concentrata esclusivamente sull'ottimizzazione delle proprietà dei materiali, " dice Siol. "È fondamentale, però, che il materiale può essere utilizzato per diversi anni nel rispettivo campo di applicazione." Ad esempio, questo sarebbe importante per i rivestimenti dei semiconduttori nelle finestre elettrocromiche, che devono durare decenni in ambienti aggressivi, esposti alla luce solare e agli sbalzi di temperatura. I ricercatori dell'Empa cercano questa stabilità a lungo termine.

Per produrre queste fasi di ossido Siol e i suoi colleghi utilizzano diverse tecniche scalabili industrialmente:ossidazione controllata di film metallici sottili in un forno tubolare o soluzione elettrolitica, così come sputtering reattivo, dove i metalli vengono ossidati direttamente durante il processo di deposizione. Leghe di ossido "impossibile", oggetto di ricerca fondamentale fino ad oggi, stanno così gradualmente diventando tangibili per applicazioni industriali.