Due ricercatori del MIT hanno sviluppato un materiale a film sottile la cui fase e le cui proprietà elettriche possono essere commutate tra metallo e semiconduttore semplicemente applicando una piccola tensione. Il materiale rimane quindi nella sua nuova configurazione fino a quando non viene ripristinato da un'altra tensione. La scoperta potrebbe aprire la strada a un nuovo tipo di chip di memoria del computer "non volatile" che conserva le informazioni quando l'alimentazione viene spenta, e per la conversione dell'energia e le applicazioni catalitiche.

Le scoperte, riportato sul giornale Nano lettere in un articolo dello studente laureato in scienze dei materiali del MIT Qiyang Lu e del professore associato Bilge Yildiz, coinvolgono un materiale a film sottile chiamato cobaltite di stronzio, o SrCoO _X .

Generalmente, Yildiz dice, la fase strutturale di un materiale è controllata dalla sua composizione, temperatura, e pressione. "Qui per la prima volta, " lei dice, "dimostriamo che la polarizzazione elettrica può indurre una transizione di fase nel materiale. E infatti abbiamo raggiunto questo obiettivo modificando il contenuto di ossigeno in SrCoO _X ."

"Ha due diverse strutture che dipendono da quanti atomi di ossigeno per cella unitaria contiene, e queste due strutture hanno proprietà abbastanza diverse, "Lui spiega.

Una di queste configurazioni della struttura molecolare è chiamata perovskite, e l'altro è chiamato brownmillerite. Quando è presente più ossigeno, forma il ben chiuso, struttura cristallina a gabbia di perovskite, mentre una minore concentrazione di ossigeno produce la struttura più aperta della brownmillerite.

Le due forme hanno sostanze chimiche molto diverse, elettrico, magnetico, e proprietà fisiche, e Lu e Yildiz hanno scoperto che il materiale può essere capovolto tra le due forme con l'applicazione di una quantità molto piccola di tensione, solo 30 millivolt (0,03 volt). E, una volta cambiato, la nuova configurazione rimane stabile finché non viene capovolta da una seconda applicazione di tensione.

Le cobaltiti di stronzio sono solo un esempio di una classe di materiali noti come ossidi di metalli di transizione, che è considerato promettente per una varietà di applicazioni tra cui elettrodi nelle celle a combustibile, membrane che lasciano passare l'ossigeno per la separazione dei gas, e dispositivi elettronici come i memristori, una forma di ultra veloce, e dispositivo di memoria ad alta efficienza energetica. La capacità di innescare un tale cambiamento di fase attraverso l'uso di una piccola tensione potrebbe aprire molti usi per questi materiali, dicono i ricercatori.

Il lavoro precedente con le cobaltiti di stronzio si basava sui cambiamenti nella concentrazione di ossigeno nell'atmosfera di gas circostante per controllare quale delle due forme avrebbe assunto il materiale, ma questo è intrinsecamente un processo molto più lento e difficile da controllare, Lu dice. "Quindi la nostra idea era, non cambiare l'atmosfera, basta applicare una tensione."

"La tensione modifica l'effettiva pressione di ossigeno che il materiale affronta, " aggiunge Yildiz. Per renderlo possibile, i ricercatori hanno depositato un film molto sottile del materiale (la fase brownmillerite) su un substrato, per la quale hanno usato zirconia stabilizzata con ittrio.

In quella configurazione, l'applicazione di una tensione spinge gli atomi di ossigeno nel materiale. L'applicazione della tensione opposta ha l'effetto contrario. Per osservare e dimostrare che il materiale ha effettivamente attraversato questa transizione di fase quando è stata applicata la tensione, il team ha utilizzato una tecnica chiamata diffrazione dei raggi X in situ presso il Center for Materials Science and Engineering del MIT.

Il principio di base della commutazione di questo materiale tra le due fasi alterando la pressione del gas e la temperatura nell'ambiente è stato sviluppato nell'ultimo anno dagli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory. "Anche se interessante, questo non è un mezzo pratico per controllare le proprietà del dispositivo in uso, " dice Yildiz. Con il loro lavoro attuale, i ricercatori del MIT hanno permesso di controllare in modo pratico la fase e le proprietà elettriche di questa classe di materiali, applicando una carica elettrica.

Oltre ai dispositivi di memoria, il materiale potrebbe infine trovare applicazioni nelle celle a combustibile e negli elettrodi per batterie agli ioni di litio, Lu dice.

"Il nostro lavoro ha un contributo fondamentale introducendo la polarizzazione elettrica come un modo per controllare la fase di un materiale attivo, e ponendo le basi scientifiche di base per questi nuovi dispositivi di elaborazione dell'energia e dell'informazione, "Yildiz aggiunge.

Nella ricerca in corso, il team sta lavorando per comprendere meglio le proprietà elettroniche del materiale nelle sue diverse strutture, e di estendere questo approccio ad altri ossidi di interesse per applicazioni di memoria ed energia, in collaborazione con il professore del MIT Harry Tuller.

Giuseppe Santi, il leader della divisione di crescita dei nanomateriali presso l'Istituto catalano di nanoscienze e nanotecnologie di Barcellona, Spagna, chi non è stato coinvolto in questa ricerca, lo definisce "un contributo molto significativo" allo studio di questa interessante classe di materiali, e dice "apre la strada per l'applicazione di questi materiali sia in dispositivi elettrochimici allo stato solido per la conversione efficiente di energia o stoccaggio di ossigeno, così come in possibili applicazioni in un nuovo tipo di dispositivi di memoria."

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.