Termen legering syftar vanligtvis på en blandning av flera metaller. Dock, andra material kan också legeras. Inom halvledarindustrin, till exempel, oxid- och nitridlegeringar har länge använts framgångsrikt för att trimma materialets funktionella egenskaper. Vanligtvis, dessa förändringar sker gradvis och basmaterialens egenskaper är fortfarande lätta att känna igen.

Dock, om föreningar med oöverträffade kristallstrukturer blandas, "heterostrukturella legeringar" bildas. I dessa legeringar, strukturförändringarna beror på komponenternas blandningsförhållande. Ibland, detta ger överraskande egenskaper som skiljer sig anmärkningsvärt från basmaterialens. Det är dessa oxidlegeringar som Empa-forskaren Sebastian Siol är intresserad av. Han vill inte bara upptäcka dem, men gör dem användbara i vardagen. I sin strävan att hitta det önskade materialet, han måste hålla ett öga på flera materialegenskaper samtidigt, såsom strukturen, de elektroniska egenskaperna — och den långsiktiga stabiliteten.

Siol kom till Empa förra året. Tidigare, han forskade vid National Renewable Energy Research Laboratory (NREL) i Golden, Colorado, där han lämnade efter sig en anmärkningsvärd publikation:legeringar med "negativt tryck". Tillsammans med sina kollegor, han blandade manganselenid och mangantellurid med en kallångteknik (magnetronsputtering). Vid vissa förhållanden, basmaterialen slogs samman för att bilda ett kristallgitter som var "obekvämt" för båda komponenterna. Ingen av partnerna kunde tvinga fram sin favoritkristallstruktur, som den föredrar i rent tillstånd, på den andra.

Den resulterande kompromissen var en ny fas, som normalt bara skulle bildas vid "negativt tryck" - dvs. när materialet är permanent utsatt för spänningar. Dessa material är extremt svåra att tillverka under normala förhållanden. Siol och hans kollegor på NREL har lyckats övervinna denna svårighet. Det nya materialet, nu tillgänglig tack vare denna metod, visar många användbara egenskaper. Till exempel, den är piezoelektrisk. Med andra ord, den kan användas för att generera el, producera detektorer – eller genomföra halvledarexperiment, vilket inte hade varit möjligt med de rena basmaterialen.

Forskar om stabila system

På Empa, Siol kommer att ta med sin erfarenhet av att göra "omöjliga" oxidlegeringar till bordet. Han siktar på att upptäcka oxidblandningar med varierande struktur och på så sätt stabilisera dem i en sådan utsträckning att de blir lämpliga för vardagsbruk. Laboratory for Joining Technologies &Corrosion som leds av Lars Jeurgens har stor erfarenhet av praktiska tillämpningar för stabila oxidskikt och legeringar. Initialt fokus ligger på blandade oxider gjorda av titan och volframoxid, som kan vara av intresse för fönsterbeläggningar, halvledarteknik eller sensorteknik. Siols kollega Claudia Cancellieri har forskat om de elektroniska egenskaperna hos oxidgränssnitt i flera år och bidrar med sin expertis till projektet.

"Materialkombinationen är väldigt spännande, " förklarar Siol. Titanoxider är extremt stabila och används i solceller, väggfärger och tandkräm. Volframoxider, å andra sidan, är jämförelsevis instabila och används för smarta fönster, gassensorer eller som katalysatorer inom petrokemi. "Förr, forskning fokuserade ofta enbart på att optimera materialegenskaper, " säger Siol. "Det är avgörande, dock, att materialet kan användas under flera år inom respektive användningsområde." detta skulle vara viktigt för halvledarbeläggningar i elektrokroma fönster, som måste hålla i årtionden i aggressiva miljöer, exponeras för solljus och temperaturfluktuationer. Empa-forskarna söker denna långsiktiga stabilitet.

För att producera dessa oxidfaser använder Siol och hans kollegor olika industriellt skalbara tekniker:kontrollerad oxidation av tunna metallfilmer i en rörugn eller elektrolytlösning, såväl som reaktiv sputtering, där metallerna oxideras direkt under deponeringsprocessen. "Omöjliga" oxidlegeringar, ämnet för grundforskning hittills, blir därmed gradvis påtagliga för industriella tillämpningar.