In questo diagramma, è raffigurato il reticolo atomico di un cristallo di ossido di bario, con atomi di ossigeno e bario rappresentati da sfere rosse e grigie. Una vacanza di ossigeno neutro, un punto in cui un atomo di ossigeno dovrebbe apparire nel reticolo ma è invece sostituito da due elettroni, è rappresentato dalla forma gialla, che rappresenta la densità di carica di quegli elettroni. A sinistra, il cristallo è visto senza campo elettrico applicato, e a destra, con un campo applicato di 21,8 megavolt per centimetro. Le distorsioni del reticolo rivelano gli effetti di quel campo elettrico applicato. Attestazione:Felice Frankel
A volte cose che sono tecnicamente difetti, come imperfezioni nel reticolo cristallino di un materiale, può effettivamente produrre cambiamenti nelle proprietà che aprono nuovi tipi di applicazioni utili. Una nuova ricerca di un team del MIT mostra che tali imperfezioni in una famiglia di materiali noti come ossidi metallici isolanti possono essere fondamentali per le loro prestazioni per una varietà di applicazioni high-tech, come i chip di memoria non volatile e le tecnologie di conversione dell'energia.
I risultati sono riportati questa settimana sulla rivista Lettere di revisione fisica , in un articolo del Professore Associato del MIT Bilge Yildiz, Professore e rettore associato Krystyn Van Vliet, e l'ex postdoc Mostafa Youssef.
Questi materiali di ossido metallico sono stati studiati da molti ricercatori, Yildiz dice, e "le loro proprietà sono fortemente governate dal numero e dal tipo di difetti che sono presenti". Quando sottoposto a forti forze motrici, come forti campi elettrici, "il comportamento di tali difetti non era stato ben compreso, " lei dice.
I ricercatori hanno una comprensione teorica ben consolidata di come le versioni perfettamente strutturate di questi ossidi metallici isolanti funzionino in una varietà di condizioni, come in forti campi elettrici, ma non esisteva una tale teoria per descrivere i materiali quando contengono tipi comuni di difetti, secondo Yildiz. Comprendere quantitativamente questi effetti è importante per sviluppare questa promettente famiglia di materiali per potenziali applicazioni, inclusi nuovi tipi di memorie per computer a bassa energia e dispositivi di elaborazione, refrigerazione elettrica, e dispositivi di conversione dell'energia elettrocatalitica come le celle a combustibile.
Il team ha dimostrato un quadro teorico e ha mostrato come la stabilità e la struttura di un difetto puntuale viene alterata sotto forti campi elettrici. Hanno preso un difetto comune chiamato vacanza di ossigeno neutro, un punto in cui un atomo di ossigeno dovrebbe apparire nel reticolo ma invece due elettroni sono intrappolati. I loro risultati hanno quantificato il comportamento di polarizzazione del materiale con questo difetto, in un campo elettrico.
"Le vacanze di ossigeno in particolare sono molto importanti nelle applicazioni elettroniche ed elettrochimiche, "dice Yildiz, che ricopre incarichi congiunti nei dipartimenti di Scienze e Ingegneria Nucleare e Scienza e Ingegneria dei Materiali.
In molte di queste applicazioni, lei dice, ci può essere un gradiente di tensione interno creato all'interno del materiale a film sottile, e questo gradiente di "potenziale elettrico" provoca forti campi elettrici. Comprendere gli effetti di questi campi è essenziale per la progettazione di alcuni nuovi dispositivi.
"La maggior parte del lavoro in questo settore è sperimentale, " dice Yildiz. "Prendete una pellicola sottile, lo metti in un campo elettrico, e tu fai misurazioni." Ma in tali esperimenti, gli effetti del potenziale elettrico locale e del campo elettrico sono contorti, rendendo molto difficile capire i risultati. "È impossibile risolverli l'uno dall'altro, quindi è necessario avere una teoria" per spiegare gli effetti, aggiunge.
I ricercatori hanno ora ideato un nuovo quadro teorico che consente loro di isolare l'effetto del campo elettrico dall'effetto del potenziale elettrico, e quantificare entrambi indipendentemente. Ciò ha permesso loro di fare previsioni molto specifiche, diverse da quelle prodotte dalla teoria classica e dovrebbe consentire di validare sperimentalmente il nuovo modello entro un anno, Yildiz dice.
I risultati dovrebbero aiutare a consentire lo sviluppo di alcune importanti potenziali applicazioni, lei dice. Uno è in un nuovo tipo di dispositivo di memoria del computer noto come memoria a commutazione resistiva, che fornisce velocità di commutazione elevate utilizzando pochissima energia. Questi dispositivi di memoria si basano sulla presenza di difetti.
"Il modo in cui cambiano il loro stato di resistenza [per registrare i dati] dipende dal tipo di difetto, contenuto, e distribuzione, " dice. "Per modellare il comportamento del dispositivo, dovresti essere in grado di modellare come i forti campi elettrici applicati alterano la struttura del difetto, concentrazione, e distribuzione." Questo è ciò che questo nuovo lavoro consente:"Se conosci quantitativamente gli effetti sia del potenziale che del campo, quindi puoi progettare le tue condizioni operative per beneficiare di questi effetti."
Comprendere questi effetti è importante anche per altre applicazioni come la scissione di molecole d'acqua per produrre idrogeno nelle interfacce solido-liquido, dispositivi elettronici che si basano su interfacce ossido-ossido, o altri processi elettrochimici che utilizzano questi materiali come catalizzatori, dove i difetti fungono da siti che consentono le interazioni.
I materiali studiati dal team appartengono a una classe nota come ossidi binari di metalli alcalino-terrosi, i cui costituenti sono "tra la classe di materiali più abbondante sulla Terra, " Yildiz dice. "[Questa classe è] a buon mercato, abbondante, e ha proprietà sintonizzabili, " rendendolo promettente per molte applicazioni. Ma aggiunge che l'approccio teorico che hanno adottato sarà ora applicato in modo molto più ampio, a molti altri tipi di materiali di ossido e ad altri tipi di difetti al loro interno oltre alle vacanze di ossigeno neutro.
"Questo lavoro stabilisce un nuovo paradigma per lo studio dei difetti nei semiconduttori, mettendo a punto la matematica necessaria per il calcolo dell'energia di formazione del difetto in cristalli difettosi stimolati elettricamente, "dice Cesare Franchini, professore associato di fisica computazionale dei materiali presso l'Università di Vienna, chi non era coinvolto in questo lavoro. "Questo lavoro estende le teorie attuali che collegano la termodinamica con la polarizzazione elettrica, e sarà vantaggioso per praticamente tutte le applicazioni in cui i difetti (e la loro sintonizzabilità tramite stimoli elettrici) sono un vantaggio, compresa la catalisi, elettronica, e dispositivi elettrocalorici."
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
