I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University hanno realizzato un super sottile, membrana flessibile da un ossido normalmente fragile facendolo crescere su una superficie rivestita con un composto che si dissolve in acqua. Quando il rivestimento è stato sciolto, la membrana (rosso scuro) galleggiava libera. L'allungamento di questa membrana ha rivelato come la deformazione influenzi le proprietà elettroniche del materiale. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Un modo per modificare le proprietà di un materiale è allungarlo solo un pochino, quindi i suoi atomi sono più distanti ma i legami tra loro non si rompono. Questa distanza extra influenza il comportamento degli elettroni, che determinano se il materiale è un isolante o un conduttore di elettricità, ad esempio.
Ma per un'importante classe di materiali di ossido complessi, lo stretching non funziona così bene; sono fragili come tazzine da caffè in ceramica e si rompono.
Gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University hanno ora trovato un modo per aggirare questo problema per un ossido complesso noto come LCMO. Hanno creato un super-sottile, membrana flessibile dal materiale normalmente fragile, ha usato micromanipolatori per allungarlo su un minuscolo apparato e incollarlo in posizione per preservare l'allungamento.
Applicando un calore delicato per sciogliere la colla, potevano rilasciare e allungare ancora e ancora la stessa membrana trasparente e guardarla passare dall'essere un isolante a un conduttore e viceversa. Lo stretching ha anche cambiato le sue proprietà magnetiche.
"Possiamo davvero allungare e mettere a dura prova queste cose in modo drammatico, fino all'8%, " ha detto Harold Hwang, professore allo SLAC ea Stanford e ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Questo apre un nuovo mondo di possibilità che avrà un impatto al di là di questo particolare studio".
Il team di ricerca ha riportato i suoi risultati in Scienza oggi.
Nuovi modi per galleggiare liberi e allungarsi
LCMO, o lantanio calcio manganese ossido, è ciò che è noto come materiale quantistico perché i suoi elettroni si comportano in modi non convenzionali e spesso sorprendenti. Gli scienziati vogliono essere in grado di controllare e mettere a punto questo comportamento per una nuova generazione di elettronica con applicazioni nella trasmissione di potenza, trasporto, informatica, sensori e rilevatori.
Per vedere come la deformazione influisce sulle proprietà elettroniche di un materiale di ossido fragile, i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University lo hanno trasformato in un super sottile, membrana flessibile, ha usato micromanipolatori per allungarlo su un minuscolo apparato e incollarlo in posizione per preservare l'allungamento. Lo stretching ha trasformato il materiale da conduttore elettrico a isolante e ha cambiato le sue proprietà magnetiche. La tecnica può essere utilizzata per studiare e progettare un'ampia gamma di materiali da utilizzare in cose come sensori e rilevatori. Credito:Seung Sae Hong, Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Film sottili di materiali quantistici sono generalmente cresciuti sulla superficie di un altro materiale. Quattro anni fa, Il gruppo di Hwang ha segnalato un modo semplice per staccare quegli strati delicati in modo che potessero essere studiati in modi nuovi.
Uno dei ricercatori che hanno lavorato a quello studio, Seung Sae Hong, guidato anche questo. Ha usato il nuovo metodo per creare e liberare piccoli pezzi di LCMO che erano più sottili che mai, meno di 20 nanometri di spessore. Erano quasi trasparenti e sorprendentemente flessibili.
Allungando direttamente un così piccolo, rottame fragile sarebbe difficile, ma Hong ha aggirato il problema mettendolo su una sottile pellicola polimerica, un po' come un sacchetto di plastica di un negozio di alimentari, dove si è bloccato di sua spontanea volontà.
Quindi ha bloccato il film polimerico su ciascuno dei suoi quattro lati e ha usato un micromanipolatore per tirarlo e allungarlo, a volte in una direzione, a volte in entrambe le direzioni contemporaneamente. Una volta che l'LCMO è stato allungato, il suo supporto polimerico potrebbe essere incollato su un'altra superficie e portato su un altro strumento per l'esame con i raggi X.
Capovolgimento degli stati elettronici
"Gli esperimenti erano piuttosto noiosi e difficili, " disse Hong, che ora è assistente professore all'Università della California, Davis. "Guardavamo il film, scaldalo per ammorbidire la colla e rilassare il tratto, manipolarlo in qualche altro modo, congelalo sul posto e guardalo di nuovo."
I ricercatori sono stati in grado di misurare direttamente la distanza tra gli atomi e confermare che è aumentata con l'allungamento. Hanno anche misurato la resistenza elettrica dell'LMCO e hanno scoperto che lo stretching lo ha capovolto da uno stato metallico che conduce prontamente elettricità a uno stato isolante, che non lo fa. L'applicazione di un forte campo magnetico ha cambiato lo stato magnetico del materiale e lo ha anche riportato ad essere un metallo.
"Come strumento scientifico questo è davvero eccitante, "Hong ha detto. "Apre opportunità per manipolare meccanicamente ampie classi di materiali in modi che non avremmo potuto fare prima. E ci dà idee su come progettare materiali flessibili per dispositivi elettronici, compresi sensori e rilevatori che misurano cambiamenti molto piccoli."
