La capacità dei materiali a cambiamento di fase di passare prontamente e rapidamente tra le diverse fasi li ha resi preziosi come fonte a bassa potenza di memoria non volatile o "flash" e di archiviazione dei dati. Ora i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell'Università della California Berkeley hanno scoperto un'intera nuova classe di materiali a cambiamento di fase che potrebbero essere applicati alle tecnologie di memoria ad accesso casuale (PCM) a cambiamento di fase e possibilmente anche all'archiviazione di dati ottici. I nuovi materiali a cambiamento di fase - leghe nanocristalline di un metallo e semiconduttore - sono chiamati "FAGIOLI, " per nanostrutture binarie in lega eutettica.

“Cambiamenti di fase nei fagioli, passandoli da stati cristallini ad amorfi e di nuovo a stati cristallini, può essere indotto in pochi nanosecondi dalla corrente elettrica, luce laser o una combinazione di entrambi, "dice Daryl Chrzan, un fisico che ricopre incarichi congiunti con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali dell'UC Berkeley. “Lavorando con nanoparticelle di stagno di germanio incorporate nella silice come i nostri fagioli iniziali, siamo stati in grado di stabilizzare sia la fase solida che quella amorfa e abbiamo potuto sintonizzare la cinetica del passaggio tra le due semplicemente alterando la composizione".

Chrzan è l'autore corrispondente di un articolo che riporta i risultati di questa ricerca che è stato pubblicato sulla rivista Nanolettere intitolato "Nanostrutture in lega eutettica binaria incorporata:una nuova classe di materiali a cambiamento di fase".

Gli autori dell'articolo con Chrzan erano Swanee Shin, Julian Guzman, Chun Wei Yuan, Cristoforo Liao, Cosima Boswell-Koller, Pietro Pietra, Oscar Dubon, Andrea Minore, Masashi Watanabe, Jeffrey Beeman, Kin Yu, Joel Ager e Eugene Haller.

“Ciò che abbiamo dimostrato è che le nanostrutture binarie in lega eutettica, come punti quantici e nanofili, possono servire come materiali a cambiamento di fase, "Chrzan dice. “La chiave del comportamento che abbiamo osservato è l'incorporamento di nanostrutture all'interno di una matrice di volumi su scala nanometrica. La presenza di questa interfaccia nanostruttura/matrice rende possibile un rapido raffreddamento che stabilizza la fase amorfa, e ci consente anche di mettere a punto la cinetica di trasformazione del materiale a cambiamento di fase".

Una lega eutettica è un materiale metallico che fonde alla temperatura più bassa possibile per la sua miscela di costituenti. Il composto di germanio stagno è una lega eutettica che è stata considerata dai ricercatori come un prototipo di materiale a cambiamento di fase perché può esistere a temperatura ambiente in uno stato cristallino stabile o in uno stato amorfo metastabile. Chrzan e i suoi colleghi hanno scoperto che quando i nanocristalli di stagno di germanio sono stati incorporati all'interno di silice amorfa, i nanocristalli hanno formato una nanostruttura bilobata che era per metà metallica cristallina e per metà semiconduttrice cristallina.

“Il rapido raffreddamento a seguito della fusione laser pulsata stabilizza un metastabile, amorfo, stato di fase mista a temperatura ambiente, mentre il riscaldamento moderato seguito da un raffreddamento più lento riporta i nanocristalli al loro stato cristallino bilobato iniziale, "Chrzan dice. "La silice agisce come una provetta piccola e molto pulita che confina le nanostrutture in modo che le proprietà dell'interfaccia BEAN/silice siano in grado di dettare le proprietà uniche di cambiamento di fase".

Sebbene non abbiano ancora caratterizzato direttamente le proprietà di trasporto elettronico delle strutture BEAN bilobate e amorfe, da studi su sistemi correlati Chrzan ei suoi colleghi si aspettano che il trasporto e le proprietà ottiche di queste due strutture saranno sostanzialmente differenti e che queste differenze saranno sintonizzabili attraverso alterazioni della composizione.

“Nello stato amorfo legato, ci aspettiamo che il BEAN sia normale, conducibilità metallica, "Chrzan dice. “Nello stato bilobato, il BEAN includerà una o più barriere Schottky che possono essere fatte funzionare come un diodo. Ai fini della conservazione dei dati, la conduzione metallica potrebbe significare uno zero e una barriera Schottky potrebbe significare uno”.

Chrzan e i suoi colleghi stanno ora studiando se i BEAN possono sostenere ripetuti cambiamenti di fase e se il passaggio avanti e indietro tra le strutture bilobate e amorfe può essere incorporato in una geometria del filo. Vogliono anche modellare il flusso di energia nel sistema e quindi utilizzare questa modellazione per adattare gli impulsi di luce/corrente per proprietà di cambiamento di fase ottimali.

Le caratterizzazioni in microscopia elettronica a trasmissione in situ delle strutture BEAN sono state eseguite presso il National Center for Electron Microscopy del Berkeley Lab, uno dei principali centri al mondo per la microscopia elettronica e la microcaratterizzazione.