Forskare vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet (NTNU) har hittat en helt ny metod för att kontrollera de elektroniska egenskaperna hos oxidmaterial. Detta öppnar dörren till ännu mindre komponenter och kanske mer hållbar elektronik.

"Vi hittade ett helt nytt sätt att kontrollera ledningsförmågan hos material på nanoskala, säger professor Dennis Meier vid NTNU:s institution för materialvetenskap och teknik.

En av de bästa aspekterna med den nya metoden är att den inte stör andra egenskaper hos materialet, som tidigare metoder gjorde. Detta gör det möjligt att kombinera olika funktioner i samma material, vilket är ett viktigt framsteg för nanoskalateknologi.

"Det som verkligen är bra är att det här projektet drivs från NTNU och involverar personer från flera institutioner. Vi drar också nytta av nyckelanläggningar som NanoLab och TEM (transmission electron microscopy) Gemini Centre. Detta tvärvetenskapliga tillvägagångssätt visar vad vi kan göra när vi jobba tillsammans, " säger Meier.

En ny artikel i tidningen Naturmaterial tar upp fynden. Artikeln har väckt internationell uppmärksamhet redan innan den trycktes.

Möjligheterna med upptäckten diskuterades i augustinumret av Naturmaterial av ledande experter på området.

Vi tänker sällan på tekniken som ligger bakom att tända en glödlampa eller vår användning av elektriska apparater. Kontrollen av laddade partiklar i en liten skala är helt enkelt en del av vardagen.

Men på en mycket mindre nanoskala, forskare kan nu rutinmässigt manipulera flödet av elektroner. Detta öppnar möjligheter för ännu mindre komponenter i datorer och mobiltelefoner som knappt använder någon el.

Ett grundläggande problem kvarstår, dock. Du kan simulera elektroniska komponenter i nanoskala, men några av de mest lovande koncepten verkar utesluta varandra. Det betyder att du inte kan kombinera flera komponenter för att skapa ett nätverk.

"Att använda kvantfenomen kräver extrem precision för att bibehålla rätt förhållande mellan olika ämnen i materialet samtidigt som materialets kemiska struktur förändras, vilket är nödvändigt om du vill skapa konstgjorda synapser för att simulera egenskaperna hos nervbanor som vi känner dem från biologin, " säger Meier.

Samarbete mellan avdelningarna, ledd av professor Meier, har lyckats kringgå några av dessa problem genom att utveckla ett nytt tillvägagångssätt.

"Det nya tillvägagångssättet bygger på att utnyttja "dolda" oegentligheter på atomnivå, så kallade anti-Frenkel-defekter, " säger Meier.

Forskarna har lyckats skapa sådana defekter själva, vilket gör det möjligt för ett isolerande material att bli elektriskt ledande.

Defekter i materialet är relaterade till dess olika egenskaper. Dock, anti-Frenkel-defekterna kan manipuleras på ett sådant sätt att förändringar i konduktiviteten inte påverkar materialets faktiska struktur eller ändrar dess andra egenskaper, såsom magnetism och ferroelektricitet.

"Att bibehålla den strukturella integriteten gör det möjligt att designa multifunktionella enheter med samma material. Detta är ett stort steg mot ny teknik på nanoskala, säger Meier.

I forskargruppen ingår professor S. M. Selbach från institutionen för materialvetenskap och teknik, Professorerna Antonius T. J. van Helvoort och Jaakko Akola samt docenterna Per Erik Vullum och David Gao från Fysiska institutionen, och docent Jan Torgersen från Institutionen för maskin- och industriteknik.

En annan fördel med det nya tillvägagångssättet är att forskare kan radera komponenter i nanoskala med hjälp av en enkel värmebehandling. Sedan kan du ändra eller uppgradera komponenterna i materialet i efterhand.

"Kanske kommer vi att kunna använda våra elektroniska prylar längre istället för att återvinna dem eller slänga dem. Vi kan bara uppgradera dem istället. Detta är i grunden mycket mer miljövänligt, " säger Meier.

Planering pågår redan för ytterligare försök att kombinera olika komponenter. Detta arbete kommer att utföras av FACET-gruppen vid NTNU:s institution för materialvetenskap och teknik.

Arbetet stöds av European Research Council genom ett ERC Consolidator Grant som Meier fick förra året. Det välkända Center for Quantum Spintronics (QuSpin) är också involverat. Målet är att utnyttja både laddning och spinn i elektronerna för att ge oss en mer miljövänlig framtid.