Northwestern Engineering forskare har utvecklat en ny designstrategi för att identifiera nya material som uppvisar en metallisolatorövergång (MIT), en sällsynt materialklass kategoriserad efter deras förmåga att reversibelt växla mellan elektriskt ledande och isolerande tillstånd.

Den nya metoden kan starta framtida design och leverans av snabbare mikroelektronik med fler lagringsmöjligheter, samt kvantmaterialplattformar för framtida elektronik.

"Vår metod använder anjonersättning i atomskala och erkännande av viktiga MIT -egenskaper för att identifiera potentiella heteroanjoniska MIT -material, som inte har övervägts så långt, "sa James Rondinelli, docent i materialvetenskap och teknik och Morris E. Fine Junior Professor i material och tillverkning vid McCormick School of Engineering, som ledde laget. "Vi hoppas genom att formulera dessa elektroniska struktur-egendomsrelationer, nya övergångar i kvantmaterial kan utformas i framtiden. "

Ett papper som beskriver arbetet, med titeln "Design of Heteroanionic MoON Exhibiting a Peierls Metal-isolator Transition, "publicerades den 3 december i tidningen Fysiska granskningsbrev . Rondinelli var tidningens motsvarande författare tillsammans med Danilo Puggioni, forskarassistent vid Institutionen för materialvetenskap och teknik.

Med hjälp av kvantmekaniska datasimuleringar på Northwestern's Quest High Performance Computing Cluster, Rondinelli och forskare designade den kristallina strukturen i det nya materialet, kallad molybdenoxynitrid (MoON), att vara värd för fasövergången. Forskarna fann att MIT inträffade nära 600 grader Celsius, avslöjar dess potential för applikationer i högtemperatursensorer och kraftelektronik.

Gruppen noterade att flera designparametrar påverkade MoON:s fasövergång. Införandet av flera anjoner i materialet - i det här fallet negativt laddade syre- och kvävejoner - aktiverade fasövergången på grund av specifika elektronkonfigurationer relaterade till rumslig orientering av elektroniska orbitaler, stödja tidigare fynd i andra binära MIT -material. Dessutom, MoON:s flexibla rutilkristallstruktur gav reversibilitet mellan elektriskt ledande och isolerande tillstånd.

Fynden ger insikt i hur subtila förändringar på nanoskala kan användas för att kontrollera makroskopiskt beteende - som konduktivitet - i material.

"Det har gjorts omfattande arbete under det senaste decenniet för att förstå MIT -material och upptäcka nya; men mindre än 70 unika föreningar är för närvarande kända som uppvisar denna termiska övergång, "Sa Rondinelli." Vi förkroppsligade viktiga funktioner i MIT -material, inklusive särskilda strukturfunktioner i picoskala, liksom den avgörande elektronkonfigurationen d1, in i vår design. Vårt projekt utnyttjar ett sätt som vi och andra kan använda viktiga första principdesignkoncept för att utöka MIT-fasutrymmet och effektivt driva nya MIT-material. "

Forskare hoppas genom att formulera dessa elektroniska struktur-egendomsrelationer, nya övergångar i kvantmaterial kan utformas i framtiden. Dessa föreningar är användbara som det aktiva skiktet för transistorer eller i minnesapplikationer.

"MIT-material representerar en klass av fasövergångar som kan möjliggöra framsteg inom informationsbehandling och lagring utöver konventionell kompletterande metalloxidhalvledarskalning i mikroelektronik, "Rondinelli sa." Detta innebär snabbare enheter med fler lagringsmöjligheter. Dessutom, MIT-material kan möjliggöra mikroelektroniska system med låg effekt, vilket innebär att du skulle behöva ladda din enhet mindre ofta, eftersom det varar längre eftersom komponenterna kräver mindre ström. "