En konstnärs återgivning av det tjockleksdrivna, metallisolatorövergång i subnanometerfilmer av ett lantannickelat. Nickelatomer visas i guld, syreatomer i vitt, och lantanatomer i rött, och metallicitet uppnås genom att gå från två till tre atomlager. Kredit:Haofei Wei
(Phys.org) —Ever krympande elektroniska enheter kan komma ner i atomdimensioner med hjälp av övergångsmetalloxider, en klass av material som verkar ha allt:supraledning, magnetoresistens och andra exotiska egenskaper. Dessa möjligheter gör att forskare är glada över att förstå allt om dessa material, och att hitta nya sätt att kontrollera sina egenskaper på de mest grundläggande nivåerna.
Forskare från Cornell och Brookhaven National Laboratory har visat hur man byter en viss övergångsmetalloxid, ett lantannickelat (LaNiO 3 ), från en metall till en isolator genom att göra materialet mindre än en nanometer tjockt.
Laget, som publicerade sina fynd i aprilnumret av Naturens nanoteknik , inkluderar huvudforskaren Kyle Shen, docent i fysik; första författaren Phil King, en ny Kavli postdoktor vid Cornell nu vid fakulteten vid University of St. Andrews; Darrell Schlom, Herbert Fisk Johnson professor i industriell kemi; och medförfattare Haofei Wei, Yuefeng Nie, Masaki Uchida, Carolina Adamo, och Shabo Zhu (Cornell), och Xi He och Ivan Božović (Brookhaven National Laboratory).
Genom att använda en extremt exakt tillväxtteknik som kallas molekylär strålepitaxi (MBE), King syntetiserade atomärt tunna prover av lantannickelatet och upptäckte att materialet förändras abrupt från en metall till en isolator när dess tjocklek minskas till under 1 nanometer. När den tröskeln passeras, dess konduktivitet - elektronernas förmåga att flöda genom materialet - släcks som ett ljus, en egenskap som kan visa sig användbar i nanoskala switchar eller transistorer, sa Shen.
Genom att använda ett unikt system hos Cornell, som integrerar MBE-filmtillväxt med en teknik som kallas vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), King och kollegor kartlade hur elektronernas rörelser och interaktioner i materialet förändrades över denna tröskel, variera tjockleken på deras oxidfilmer atom för atom. De upptäckte att när filmerna var mindre än 3 nickelatomer tjocka, elektronerna bildade en ovanlig nanoskalaordning, liknande ett schackbräde.
Resultaten visar förmågan att kontrollera de elektroniska egenskaperna hos exotiska övergångsmetalloxider på nanometerskala, samt avslöjar de slående kooperativa interaktionerna som styr beteendet hos elektronerna i dessa ultratunna material. Deras upptäckt banar väg för att göra avancerade nya elektroniska enheter av oxider.
