I ricercatori della Northwestern Engineering hanno sviluppato una nuova strategia di progettazione per identificare nuovi materiali che presentano una transizione metallo-isolante (MIT), una rara classe di materiali classificati in base alla loro capacità di commutare in modo reversibile tra stati elettricamente conduttivi e isolanti.

Il nuovo metodo potrebbe avviare la progettazione futura e la consegna di microelettronica più veloci con maggiori capacità di archiviazione, così come piattaforme di materiali quantistici per l'elettronica del futuro.

"Il nostro approccio utilizza la sostituzione anionica su scala atomica e il riconoscimento delle proprietà chiave del MIT per identificare potenziali materiali MIT eteroanionici, che non sono stati ampiamente considerati fino a questo punto, " disse Giacomo Rondinelli, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali e Morris E. Fine Junior Professor in Materials and Manufacturing presso la McCormick School of Engineering, che guidava la squadra. "Ci auguriamo che formulando queste relazioni elettroniche struttura-proprietà, nuove transizioni nei materiali quantistici possono essere progettate in futuro".

Un documento che illustra il lavoro, intitolato "Progettazione di luna eteroanionica che esibisce una transizione Peierls metallo-isolante, " è stato pubblicato il 3 dicembre sulla rivista Lettere di revisione fisica . Rondinelli fu co-autore del giornale insieme a Danilo Puggioni, ricercatore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali.

Utilizzando simulazioni computerizzate quantomeccaniche presso il Quest High Performance Computing Cluster della Northwestern, Rondinelli e ricercatori hanno progettato la struttura cristallina picoscala del nuovo materiale, chiamato ossinitruro di molibdeno (Luna), per ospitare la transizione di fase. I ricercatori hanno scoperto che il MIT si è verificato vicino a 600 gradi Celsius, rivelando il suo potenziale per applicazioni in sensori ad alta temperatura ed elettronica di potenza.

Il gruppo ha notato che molteplici parametri di progettazione hanno influenzato la transizione di fase di MoON. L'inclusione di più anioni nel materiale, in questo caso, ioni di ossigeno e azoto caricati negativamente:attivano la transizione di fase a causa di specifiche configurazioni elettroniche legate all'orientamento spaziale degli orbitali elettronici, supportare i risultati precedenti in altri materiali binari del MIT. Inoltre, La struttura cristallina rutilica flessibile di MoON ha conferito reversibilità tra stati elettricamente conduttivi e isolanti.

I risultati offrono informazioni su come i sottili cambiamenti su scala nanometrica possono essere utilizzati per controllare il comportamento macroscopico, come la conduttività, nei materiali.

"Nell'ultimo decennio è stato svolto un lavoro sostanziale per comprendere i materiali del MIT e scoprirne di nuovi; tuttavia, sono attualmente noti meno di 70 composti unici che mostrano questa transizione termica, " ha detto Rondinelli. "Abbiamo incarnato le caratteristiche chiave dei materiali del MIT, comprese particolari caratteristiche strutturali su picoscala, così come la cruciale configurazione elettronica d1, nel nostro design. Il nostro progetto sfrutta un modo in cui noi e altri possiamo utilizzare i concetti chiave di progettazione del primo principio per espandere lo spazio delle fasi del MIT e perseguire efficacemente nuovi materiali del MIT".

Gli scienziati sperano che formulando queste relazioni elettroniche struttura-proprietà, nuove transizioni nei materiali quantistici possono essere progettate in futuro. Questi composti sono utili come strato attivo per transistor o in applicazioni di memoria.

"I materiali del MIT rappresentano una classe di transizioni di fase che possono consentire progressi nell'elaborazione e nell'archiviazione delle informazioni oltre il tradizionale ridimensionamento dei semiconduttori in ossido di metallo complementare nella microelettronica, " Rondinelli ha detto. "Questo si traduce in dispositivi più veloci con più capacità di archiviazione. Inoltre, I materiali del MIT potrebbero consentire sistemi microelettronici a bassa potenza, il che significa che dovresti caricare il tuo dispositivo meno frequentemente, perché dura di più perché i componenti richiedono meno energia."