Två MIT-forskare har utvecklat ett tunnfilmsmaterial vars fas och elektriska egenskaper kan växlas mellan metalliska och halvledande helt enkelt genom att applicera en liten spänning. Materialet förblir sedan i sin nya konfiguration tills det byts tillbaka av en annan spänning. Upptäckten kan bana väg för en ny typ av "icke -flyktigt" datorminneskort som behåller information när strömmen stängs av, och för energiomvandling och katalytiska tillämpningar.

Resultaten, rapporteras i tidningen Nano bokstäver i en uppsats av MIT materialvetenskaplig doktorand Qiyang Lu och docent Bilge Yildiz, involvera ett tunnfilmsmaterial som kallas strontiumkobaltit, eller SrCoO _x .

Vanligtvis, Yildiz säger, ett materials strukturella fas styrs av dess sammansättning, temperatur, och tryck. "Här för första gången, " hon säger, "vi visar att elektrisk förspänning kan framkalla en fasövergång i materialet. Och faktiskt uppnådde vi detta genom att ändra syrehalten i SrCoO _x . "

"Den har två olika strukturer som beror på hur många syreatomer per cell enhet den innehåller, och dessa två strukturer har ganska olika egenskaper, "Förklarar Lu.

En av dessa konfigurationer av molekylstrukturen kallas perovskit, och den andra kallas brownmillerit. När mer syre är närvarande, det bildar det tättslutna, burliknande kristallstruktur av perovskit, medan en lägre syrekoncentration ger den mer öppna strukturen av brownmillerit.

De två formerna har mycket olika kemikalier, elektrisk, magnetisk, och fysiska egenskaper, och Lu och Yildiz fann att materialet kan vändas mellan de två formerna med en mycket liten spänning - bara 30 millivolt (0,03 volt). Och, en gång ändrat, den nya konfigurationen förblir stabil tills den vänds tillbaka av en andra tillämpning av spänning.

Strontiumkobaltiter är bara ett exempel på en klass av material som kallas övergångsmetalloxider, som anses lovande för en mängd olika tillämpningar, inklusive elektroder i bränsleceller, membran som tillåter syre att passera för gasseparation, och elektroniska enheter som memristors - en form av icke -flyktiga, Ultra snabb, och energieffektiv minnesenhet. Möjligheten att utlösa en sådan fasförändring genom användning av bara en liten spänning kan öppna många användningsområden för dessa material, säger forskarna.

Tidigare arbete med strontiumkobaltiter förlitade sig på förändringar i syrekoncentrationen i den omgivande gasatmosfären för att kontrollera vilken av de två formerna materialet skulle ta, men det är i sig en mycket långsammare och svårare process att kontrollera, Säger Lu. "Så vår idé var, ändra inte atmosfären, sätt bara på en spänning. "

"Spänning modifierar det effektiva syretrycket som materialet står inför, "Tillägger Yildiz. För att göra det möjligt, forskarna deponerade en mycket tunn film av materialet (brownmilleritfasen) på ett substrat, för vilka de använde yttriumstabiliserad zirkoniumoxid.

I den inställningen, applicering av en spänning driver syreatomer in i materialet. Att applicera motsatt spänning har omvänd effekt. Att observera och visa att materialet verkligen gick igenom denna fasövergång när spänningen applicerades, laget använde en teknik som kallas in-situ röntgendiffraktion vid MIT:s centrum för materialvetenskap och teknik.

Grundprincipen för att byta detta material mellan de två faserna genom att ändra gastrycket och temperaturen i miljön utvecklades under det senaste året av forskare vid Oak Ridge National Laboratory. "Även om det är intressant, detta är inte ett praktiskt sätt att styra enhetens egenskaper vid användning, "säger Yildiz. Med deras nuvarande arbete, MIT -forskarna har möjliggjort kontroll av fas och elektriska egenskaper hos denna materialklass på ett praktiskt sätt, genom att tillföra en elektrisk laddning.

Förutom minnesenheter, materialet kan i slutändan hitta applikationer i bränsleceller och elektroder för litiumjonbatterier, Säger Lu.

"Vårt arbete har grundläggande bidrag genom att införa elektrisk förspänning som ett sätt att kontrollera fasen av ett aktivt material, och genom att lägga den grundläggande vetenskapliga grunden för sådana nya energi- och informationsbehandlingsanordningar, "Tillägger Yildiz.

I pågående forskning, teamet arbetar för att bättre förstå de elektroniska egenskaperna hos materialet i dess olika strukturer, och att utvidga detta tillvägagångssätt till andra oxider av intresse för minnes- och energitillämpningar, i samarbete med MIT -professor Harry Tuller.

José Santiso, ledare för tillväxtavdelningen för nanomaterial vid Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology i Barcelona, Spanien, som inte var inblandad i denna forskning, kallar det "ett mycket viktigt bidrag" till studiet av denna intressanta materialklass, och säger "det banar väg för applicering av dessa material både i fasta elektrokemiska anordningar för effektiv omvandling av energi eller syre lagring, såväl som i möjliga applikationer i en ny typ av minnesenheter. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.