Forskare har länge varit fascinerade av materialet vanadindioxid, som kan växla mellan ett metalliskt och ett isolerande tillstånd när det värms eller kyls. Denna ovanliga egenskap har potential för tillämpningar inom elektronik och energilagring, men forskare har inte fullt ut förstått de grundläggande mekanismerna bakom denna övergång.

Nu har ett team av forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University använt en kraftfull röntgenspridningsteknik för att undersöka atomstrukturen hos vanadindioxid under denna övergång. Deras resultat, publicerade i Nature Materials, avslöjar en ny förståelse för hur materialets atomer omarrangeras när det växlar tillstånd och kan hjälpa forskare att designa material med liknande egenskaper för specifika tillämpningar.

"Vanadiumdioxid är ett spännande material på grund av dess potential för tillämpningar, men dess beteende har varit ett pussel", säger SLAC-personalforskaren Giulia Mancini, som ledde studien. "Vi ville förstå varför den växlar från en metall till en isolator och vad de atomära mekanismerna bakom den förändringen är."

Vid upphettning till över en viss temperatur genomgår vanadindioxid en strukturell omvandling där atomerna i dess kristallgitter plötsligt omarrangeras. Denna förändring gör att materialet förlorar sina metalliska egenskaper och blir en isolator, vilket innebär att det inte längre leder elektriciteten bra.

Forskarna använde SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), en frielektronlaser som producerar extremt intensiva röntgenpulser, för att studera vanadindioxidens atomära struktur när den genomgår denna övergång. Genom att avfyra dessa pulser mot prover av materialet kunde de fånga ögonblicksbilder av atomernas positioner med oöverträffad detalj.

Deras resultat visade att omarrangemanget innebär en subtil förändring i lutningen av vanadin-syre-oktaedrarna, som är byggstenarna i kristallgittret. Denna lilla justering orsakar en förändring i materialets elektroniska egenskaper, vilket leder till bytet från metall till isolator.

"Till vår förvåning observerade vi en ny mellanfas i materialets övergång", säger huvudförfattaren Yixi Xu, en postdoktor vid Stanford. "Denna fas kan vara en nyckelfaktor för att förstå den underliggande fysiken och kan hjälpa oss att designa material som uppvisar liknande reversibla transformationer för tekniska tillämpningar."

Forskargruppen planerar att ytterligare undersöka denna mellanfas och utforska hur den kan kontrolleras och användas i framtida material för elektroniska enheter.

Studien finansierades av DOE:s Office of Science, SLAC:s LCLS Facility och National Science Foundation.