Ibland saker som är tekniskt defekter, såsom brister i ett materials kristallgitter, kan faktiskt skapa förändringar i egenskaper som öppnar nya typer av användbara applikationer. Ny forskning från ett team vid MIT visar att sådana brister i en familj av material som kallas isolerande metalloxider kan vara nyckeln till deras prestanda för en mängd olika högteknologiska applikationer, såsom icke -flyktiga minneschips och energiomvandlingsteknik.

Resultaten rapporteras i veckan i tidningen Fysiska granskningsbrev , i en uppsats av MIT docent Bilge Yildiz, Professor och docent Krystyn Van Vliet, och tidigare postdoc Mostafa Youssef.

Dessa metalloxidmaterial har undersökts av många forskare, Yildiz säger, och "deras egenskaper styrs starkt av antalet och den typ av defekter som finns." När den utsätts för starka drivkrafter, som starka elektriska fält, "beteendet hos sådana defekter hade inte varit väl förstådt, " hon säger.

Forskare har en väletablerad teoretisk förståelse för hur perfekt strukturerade versioner av dessa isolerande metalloxider fungerar under olika förhållanden, som i starka elektriska fält, men det fanns ingen sådan teori för att beskriva materialen när de innehåller vanliga typer av defekter, enligt Yildiz. Att förstå dessa effekter kvantitativt är viktigt för att utveckla denna lovande familj av material för potentiella applikationer, inklusive nya typer av lågenergiminne och datorer, elektriskt baserad kylning, och elektrokatalytiska energiomvandlingsanordningar såsom bränsleceller.

Teamet demonstrerade en teoretisk ram och visade hur stabiliteten och strukturen hos en punktdefekt förändras under starka elektriska fält. De tog en gemensam defekt som kallas en neutral syrevakans - en plats där en syreatom ska dyka upp i gallret men istället är två elektroner instängda. Deras resultat har kvantifierat materialets polarisationsbeteende med denna defekt, i ett elektriskt fält.

"Särskilt syrevakanserna är mycket viktiga i elektroniska och elektrokemiska tillämpningar, "säger Yildiz, som har gemensamma utnämningar på avdelningarna för kärnvetenskap och teknik och materialvetenskap och teknik.

I många av dessa applikationer, hon säger, det kan finnas en intern spänningsgradient skapad i tunnfilmsmaterialet, och denna "elektriska potential" -gradient orsakar starka elektriska fält. Att förstå effekterna av dessa fält är avgörande för utformningen av vissa nya enheter.

"Det mesta av arbetet inom detta område är experimentellt, "Säger Yildiz." Du tar en tunn film, lägger du den i ett elektriskt fält, och du gör mätningar. "Men i sådana experiment, effekterna av den lokala elektriska potentialen och det elektriska fältet är invecklade, vilket gör det väldigt svårt att förstå resultaten. "Det är omöjligt att lösa dem från varandra, så du måste ha en teori "för att redogöra för effekterna, tillägger hon.

Forskarna har nu tagit fram en ny teoretisk ram som gör att de kan isolera den elektriska fälteffekten från den elektriska potentialeffekten, och kvantifiera båda oberoende. Detta gjorde det möjligt för dem att göra mycket specifika förutsägelser som skiljer sig från de som produceras av klassisk teori och borde göra det möjligt att validera den nya modellen experimentellt inom ett år, Säger Yildiz.

Resultaten bör hjälpa till att utveckla några viktiga potentiella applikationer, hon säger. Den ena är i en ny typ av datorminne som kallas resistivt switchminne, som ger snabba växlingshastigheter med mycket lite energi. Dessa minnesenheter är beroende av förekomsten av defekter.

"Hur de byter motståndstillstånd [för att registrera data] beror på defekttypen, innehåll, och distribution, "säger hon." För att modellera enhetens beteende, du bör kunna modellera hur de applicerade starka elektriska fälten förändrar defektstrukturen, koncentration, och distribution. "Det är vad detta nya arbete möjliggör:" Om du kvantitativt känner till effekterna av både potentialen och fältet, då kan du utforma dina driftsförhållanden för att dra nytta av dessa effekter. "

Att förstå dessa effekter är också viktigt för andra tillämpningar som splittring av vattenmolekyler för att producera väte vid fast-vätskegränssnitt, elektroniska enheter som är beroende av oxid-oxid-gränssnitt, eller andra elektrokemiska processer som använder dessa material som katalysatorer, där defekter fungerar som de webbplatser som möjliggör interaktioner.

Materialen som teamet studerade tillhör en klass som kallas binära oxider av jordalkalimetall, vars beståndsdelar är "bland den mest förekommande klassen av material på jorden, "Säger Yildiz." [Denna klass är] billig, riklig, och har avstämbara egenskaper, "vilket gör det lovande för många tillämpningar. Men hon tillägger att det teoretiska tillvägagångssättet de har nu kommer att tillämpas mycket bredare, till många andra typer av oxidmaterial och till andra typer av defekter inom dem förutom de neutrala syreflödena.

"Detta arbete etablerar ett nytt paradigm för studier av defekter i halvledare, genom att ställa in nödvändig matematik för beräkning av defektbildningsenergin i elektriskt stimulerade defekta kristaller, "säger Cesare Franchini, docent i fysik för beräkningsmaterial vid universitetet i Wien, som inte var inblandad i detta arbete. "Detta arbete utökar de nuvarande teorierna som förbinder termodynamik med elektrisk polarisering, och kommer att vara fördelaktigt för praktiskt taget alla applikationer där defekter (och deras avstämning genom elektriska stimuli) är en tillgång, inklusive katalys, elektronik, och elektrokaloriska anordningar. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.