Några metalloxider, såsom nickelater, har en inställbar resistivitet, vilket gör dem till ett intressant material för anpassningsbar elektronik och kognitiv databehandling. Dessa material kan ändra sin karaktär från metalliskt till isolerande. Hur exakt denna metall-isolatorövergång äger rum är ett ämne av stort intresse inom den kondenserade materiens fysik. Dock, även metallbeteendet hos nickelater verkar ovanligt. Forskare från University of Groningen, tillsammans med kollegor från Spanien, har nu funnit att det inte är så komplext som tidigare antogs. Resultaten publicerades den 11 juni i tidningen Naturkommunikation .

I en metall, elektroner kan röra sig fritt, medan det i isolatorer, de är starkt lokaliserade runt atomkärnorna. När en metall värms upp, jonernas vibrationer (kallade fononer) sprider de rörliga elektronerna och ökar resistiviteten. I kontrast, uppvärmning kan generera konduktivitet i vissa isolatorer, när elektroner får tillräckligt med energi för att frigöras och korsar energibandgapet som annars hindrar dem från att röra sig.

Exotiska förklaringar

"I vissa oxider, såsom nickelater, en övergång från isolator till metall kan inträffa, men det är inte klart hur detta händer, "säger Beatriz Noheda, professor i funktionella nanomaterial och chef för Groningen Cognitive Systems and Materials Center (CogniGron) vid universitetet i Groningen. Hon och hennes doktorand student Qikai Guo är intresserade av nickelater eftersom det är möjligt att justera deras resistivitet. De skulle kunna användas i enheter som efterliknar hur synapser i vår hjärna fungerar.

"Innan vi kan göra det här, vi bör förstå vad det enklaste tillståndet är, metalltillståndet, är. Detta innebär att förstå hur elektroner rör sig i materialet när ett elektriskt fält appliceras på dem, "förklarar Noheda. En linjär förändring i resistivitet (en exponent av 1 i kurvan som representerar resistiviteten som en funktion av temperaturen) kan förklaras av en enkel modell där elektronerna hindras av jonernas vibrationer." Men för en exponent som inte är 1, mer exotiska förklaringar har föreslagits, baserat på förekomsten av fluktuationer i nickelelektronernas snurr och elektron-elektroninteraktioner som uppstår när systemet är nära en kvantkritisk punkt. "

Anstränga

Dock, i tunna filmer av neodym -nickelat (NdNiO ₃ ), Noheda och hennes team observerade att exponenten var 1 i vissa prover, medan i andra prover av samma material, det var inte. Detta tyder på att exponenten inte är en inneboende egenskap. Noheda:"Det fick oss att systematiskt titta på prover odlade på olika substrat." Resultaten visade att i perfekta filmer, exponenten är 1, vilket betyder att resistiviteten orsakas av fononer, som det är i vanliga metaller. Dock, när det substrat som används inducerar töjning i den tunna filmen, exponenten ändras.

Töjningen leder till syrevakans i kristallerna och förändrar krafterna mellan jonerna och, därför, de elektroniska energierna. Den där, i tur och ordning, förändrar materialets resistivitet. "Vad vi fick reda på är att vi kan kontrollera antalet lediga platser och kontinuerligt justera resistivitetsexponenten efter behag, vilket är en inställningsratt som vi inte visste att vi hade. Således, förstå metalltillståndet i dessa nickelater kanske inte kräver exotiska elektron-elektroninteraktioner, avslutar Noheda.

Synaptiska enheter

Att lära sig att kontrollera metalltillståndet och övergången till isolatortillståndet hjälper forskare att designa elektronik baserad på nickelater, som kan efterlikna hur neuroner fungerar. Det är det slutliga målet för Noheda och hennes team. "Vi vet nu att dessa nickelater mer liknar vanliga metaller än vi tidigare trott. Det betyder att de kan vara ganska bra ledare om vi ser till att det inte finns några jonvakanser i kristallen. På så sätt kan övergången till den isolerande fasen medför större förändringar i motståndet, vilket leder till synaptiska enheter med förbättrad plasticitet. "

I dessa experiment, förändringen i resistivitet i dessa nickelater inducerades av en temperaturökning. "Detta är naturligtvis inte idealiskt när du vill göra en enhet. Vårt nästa steg är att designa materialet på ett sådant sätt att vi kan ställa in resistiviteten med hjälp av ett elektriskt fält, "Avslutar Noheda.