(Phys.org) – Forskare har precis börjat upptäcka och undersöka material som kan förändras från isolatorer till ledare vid rumstemperatur under pålagd spänning. Det finns bara ett fåtal kända exempel, men deras potential för användning i ny teknik – lika futuristisk som "osynlighetsmanteln" som Harry Potter har på sig i bokserien med samma namn – är väldigt spännande.

På NSLS, forskare har studerat ett nytt tillskott till denna elitgrupp – nanotrådar gjorda av vanadinoxidbrons – och mätt drastiskt, aldrig tidigare skådade övergångar från isolator till ledare. Deras arbete antyder också vad som händer på atomnivå. Detta är ett avgörande steg mot att utveckla möjliga applikationer, som inkluderar en typ av datorminne som kallas en memristor, nu under utveckling hos vissa företag; nya varianter av elektrokroma beläggningar, tunna filmer som reversibelt ändrar färg som svar på en applicerad spänning; och transistorer.

Här, forskare från University of Buffalo använde flera röntgen- och mikroskopimetoder för att studera nanotrådarna, vissa för att karakterisera ledningarna efter syntes och andra för att "se" vad som hände när ledningarna pressades till pellets och utsattes för ett elektriskt fält. Tillsammans, teknikerna ger en detaljerad bild av ledningarnas atomära och elektroniska strukturer före och efter övergången.

Trådarna är gjorda av grundämnena vanadin, syre, och bly (i form av positiva joner). Gruppen skapade dem med hjälp av en syntesmetod som ger prover av mycket hög kvalitet. Detta är en viktig prestation i sig, eftersom oförmågan att skapa prover med strukturer som är nästan defektfria har tidigare varit en vägspärr för att studera dessa material, eftersom alltför många ofullkomligheter kväver fenomenet.

När gruppen applicerade en spänning på nanotrådspellets, de såg strömmen öka mycket långsamt och sedan spetsa vid en viss tröskelspänning. Även om denna effekt var den mest dramatiska vid kalla temperaturer, det var fortfarande tydligt upp till rumstemperatur.

Röntgenmätningar indikerar att mekanismen bakom övergången är en översvämning av laddningsbärare (elektroner) som uppstår när spänningen når tröskeln. Denna ökning i bärartäthet "smälter" laddningsordningsmönstret, det ordnade arrangemanget av platser inom atomgittret där elektronerna hopar sig.

"Dessa nanotrådar utgör ett sällsynt tillägg till listan av material som uppvisar en uttalad elektriskt avstämbar metall-isolator-övergång vid rumstemperatur, sa Sarbajit Banerjee från University of Buffalo, studiens ledande forskare. "Elektrisk inducering av en tröskelbärartäthet kan avslöja en mängd olika eklektiska transportfenomen i dessa material, och vi är glada över att undersöka detta ytterligare."

Dessutom, gruppens analys visar att varje nanotråd är nästan perfekt kristallin och, med en medeldiameter på 170 nanometer (nm) och en längd som är minst 500 gånger så lång, har ett högt "bildförhållande". För en nanotråd, detta är en mycket önskvärd kvalitet eftersom den tillåter ström att flyta ner en extremt smal, nästan endimensionell kanal. Vanadinoxiden antar tre olika molekylformer, var och en bildar kedjor som sträcker sig över hela längden av tråden. Blyjonerna finns i tunnlarna mellan kedjorna.

Den del av röntgenforskningen som utfördes vid NSLS ägde rum på strållinjerna U7A och X23A2. Hela studien publicerades online den 17 augusti, 2012, i Avancerade funktionella material .