Möjligheten hos fasförändringsmaterial att snabbt och snabbt övergå mellan olika faser har gjort dem värdefulla som en lågeffektkälla för icke-flyktigt eller "flash" -minne och datalagring. Nu har en helt ny klass av fasförändringsmaterial upptäckts av forskare med Lawrence Berkeley National Laboratory och University of California Berkeley som skulle kunna tillämpas på fasändringsteknik (PCM) och möjligen optisk datalagring också. De nya fasförändringsmaterialen - nanokristalllegeringar av en metall och halvledare - kallas "BEANs, "för binära eutektiska legering nanostrukturer.

”Fasförändringar i BEAN, byta dem från kristallint till amorft och tillbaka till kristallina tillstånd, kan induceras inom nanosekunder av elektrisk ström, laserljus eller en kombination av båda, ”Säger Daryl Chrzan, en fysiker som har gemensamma möten med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och UC Berkeleys institution för materialvetenskap och teknik. ”Arbeta med germaniumtennanopartiklar inbäddade i kiseldioxid som våra första BEAN, vi kunde stabilisera både de fasta och amorfa faserna och kunde justera kinetiken för att växla mellan de två helt enkelt genom att ändra kompositionen. ”

Chrzan är motsvarande författare på ett papper som rapporterar resultaten av denna forskning som har publicerats i tidskriften NanoLetters med titeln "Embedded Binary Eutectic Alloy Nanostructures:A New Class of Phase Change Materials."

Medförfattare av tidningen med Chrzan var Swanee Shin, Julian Guzman, Chun-Wei Yuan, Christopher Liao, Cosima Boswell-Koller, Peter Stone, Oscar Dubon, Andrew Minor, Masashi Watanabe, Jeffrey Beeman, Kin Yu, Joel Ager och Eugene Haller.

"Det vi har visat är att binära eutektiska legering nanostrukturer, såsom kvantprickar och nanotrådar, kan fungera som fasförändringsmaterial, ”Säger Chrzan. ”Nyckeln till det beteende vi observerade är inbäddning av nanostrukturer i en matris av nanoskala volymer. Närvaron av detta nanostruktur/matrisgränssnitt möjliggör en snabb kylning som stabiliserar den amorfa fasen, och gör det också möjligt för oss att ställa in fasförändringsmaterialets transformationskinetik. ”

En eutektisk legering är ett metalliskt material som smälter vid lägsta möjliga temperatur för dess blandning av beståndsdelar. Germaniumtennföreningen är en eutektisk legering som av utredarna har betraktats som ett prototypiskt fasförändringsmaterial eftersom det kan existera vid rumstemperatur i antingen ett stabilt kristallint tillstånd eller ett metastabilt amorft tillstånd. Chrzan och hans kollegor fann att när germanium -tenn -nanokristaller var inbäddade i amorf kiseldioxid bildade nanokristallerna en bilobad nanostruktur som var halvkristallin metallisk och halvkristallin halvledare.

”Snabb kylning efter pulserande lasersmältning stabiliserar en metastabil, amorf, sammansatt blandat fasläge vid rumstemperatur, medan måttlig uppvärmning följt av långsammare kylning återför nanokristallerna till sitt ursprungliga bilobade kristallina tillstånd, ”Säger Chrzan. "Kiseldioxiden fungerar som ett litet och mycket rent provrör som begränsar nanostrukturerna så att egenskaperna hos BEAN/kiseldioxidgränssnittet kan diktera de unika fasförändringsegenskaperna."

Även om de ännu inte direkt har karaktäriserat de elektroniska transportegenskaperna hos de bilobade och amorfa BEAN -strukturerna, från studier om relaterade system Chrzan och hans kollegor förväntar sig att såväl transporten som de optiska egenskaperna hos dessa två strukturer kommer att vara väsentligt olika och att denna skillnad kommer att kunna justeras genom kompositionsförändringar.

"I det amorfa legerade tillståndet, vi förväntar oss att BEAN ska visas normalt, metallisk konduktivitet, ”Säger Chrzan. "I bilobed -tillståndet, BEAN kommer att innehålla en eller flera Schottky -barriärer som kan göras för att fungera som en diod. För datalagring, metallledningen kan innebära en nolla och en Schottky -barriär kan beteckna en. "

Chrzan och hans kollegor undersöker nu om BEAN kan upprätthålla upprepade fasförändringar och om växlingen fram och tillbaka mellan de bilobed och amorfa strukturerna kan införlivas i en trådgeometri. De vill också modellera energiflödet i systemet och sedan använda den här modellen för att skräddarsy ljus/strömpulserna för optimala fasförändringsegenskaper.

Karakteriseringarna för transmissionselektronmikroskopi på plats av BEAN-strukturerna utfördes på Berkeley Labs nationella centrum för elektronmikroskopi, ett av världens främsta centra för elektronmikroskopi och mikrokarakterisering.