L'ossidazione dei metalli è sfruttata in molte applicazioni industriali. I ricercatori KAUST hanno modellato il confine tra due ossidi metallici per rivelare le loro proprietà metalliche, che potrebbe portare ad applicazioni positive in elettronica.
La nostra familiarità con la ruggine, che avviene attraverso l'ossidazione del ferro per renderlo traballante e debole, significa che di solito consideriamo dannosa l'ossidazione dei metalli. Ma alcuni ossidi metallici sono utili. Per esempio, hanno un grande potenziale in elettronica perché possono essere sia trasparenti che flessibili. Possono esibire proprietà magnetiche, che apre le porte ad alte prestazioni, memorie di computer ultraveloci. Possono essere sensibili al loro ambiente, rendendoli utili per i sensori di gas.
Recentemente, il potenziale del monossido di stagno semiconduttore (SnO) per le applicazioni elettroniche è stato rivelato quando gli scienziati della KAUST hanno determinato un'elevata mobilità record, che si riferisce alla facilità con cui una particella portatrice di carica può viaggiare attraverso il materiale. In questo caso, i portatori di carica non erano elettroni, ma buchi. I buchi si comportano in modo molto simile agli elettroni, ma portano una carica elettrica positiva piuttosto che negativa.
Ottenere monossido di stagno puro è impegnativo perché il processo di fabbricazione spesso crea anche diossido di stagno (SnO2). Generalmente, l'interfaccia tra due ossidi può ospitare un'ampia varietà di fisica esotica, dalla superconduttività alla ferroelettricità, mentre le proprietà dell'interfaccia tra monossido di stagno e diossido di stagno sono in gran parte sconosciute.
Arwa Alba, ora assistente professore all'Università King Abdulaziz, ha svolto questo lavoro come parte del suo dottorato di ricerca. studi alla KAUST, insieme ad Hassan Ali Tahini e al suo supervisore, Udo Schwingenschlögl. Gli scienziati hanno teoricamente modellato il confine tra i due ossidi usando la cosiddetta teoria del funzionale della densità. Con questa tecnica sono stati in grado di determinare la densità della carica elettrica all'interfaccia per diverse disposizioni atomiche. Hanno dimostrato che il confine può supportare fori che si muovono liberamente in quello che è noto come gas quantistico, che conferisce all'interfaccia un carattere metallico.
"Il nuovo modello prevede con precisione la quantità di carica all'interfaccia, " conferma Alba.
I gas quantistici sono già stati identificati alle interfacce di ossido in altri sistemi di materiali. Possono sorgere a causa di una discontinuità di carica tra due materiali.
"La formazione quantistica del gas è spiegata da un meccanismo noto come catastrofe polare in cui gli elettroni si dispongono per evitare una divergenza nel potenziale elettrostatico, " dice Schwingenschlögl. Ciò che è insolito nell'interfaccia monossido di stagno-diossido è che manca di tale discontinuità nella carica. "Invece, la quantità di carica per area di interfaccia è diversa sui due lati dell'interfaccia, " spiega Schwingenschlögl. "Chiamiamo questa 'discontinuità di densità di carica' piuttosto che la convenzionale 'discontinuità di carica'."
Il team prevede che questo stesso fenomeno potrebbe verificarsi anche in altre combinazioni di materiali. "Sarà necessario investigare come le proprietà del gas quantistico possono essere controllate, " dice Schwingenschlögl.
