Som krusningar i en damm, elektroner färdas som vågor genom material, och när de kolliderar och interagerar, de kan ge upphov till nya och intressanta mönster.

Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har sett en ny typ av vågmönster dyka upp i en tunn film av metalloxid som kallas titandioxid när dess form är begränsad. Förlossning, handlingen att begränsa material inom en gräns, kan ändra egenskaperna hos ett material och molekylernas rörelse genom det.

När det gäller titanium, det fick elektroner att störa varandra i ett unikt mönster, vilket ökade oxidens konduktivitet, eller i vilken grad den leder elektricitet. Allt detta hände på mesoskala, en skala där forskare kan se både kvanteffekter och elektroners och molekylers rörelse.

Detta arbete ger forskare mer insikt om hur atomer, elektroner och andra partiklar beter sig på kvantnivå. Sådan information kan hjälpa till att utforma nytt material som kan behandla information och vara användbart i andra elektroniska applikationer.

"Det som verkligen skilde det här arbetet åt var storleken på den skala vi undersökte, " sa huvudförfattaren Frank Barrows, en doktorand vid Northwestern University vid Argonnes Materials Science Division (MSD). "Att undersöka på denna unika längdskala gjorde det möjligt för oss att se riktigt intressanta fenomen som indikerar att det sker interferens på kvantnivå, och samtidigt få ny information om hur elektroner och joner interagerar."

Ändra geometri för att ändra materialegenskaper

I vanliga fall, när en elektrisk ström appliceras på en oxid som titandioxid, elektroner strömmar genom materialet i en enkel vågform. På samma gång, joner – eller laddade partiklar – rör sig också. Dessa processer ger upphov till materialets elektroniska transportegenskaper, som ledningsförmåga och motstånd, som utnyttjas i utformningen av nästa generations elektronik.

"Vad vi gjorde i vår studie var att försöka förstå hur vi kan ändra materialegenskaper genom att begränsa filmens geometri eller form, " sa medförfattaren Charudatta Phatak, en materialvetare och gruppledare i Argonnes MSD.

Att börja, forskare skapade filmer av titanium, sedan konstruerade ett mönster på dem. I mönstret fanns hål som var bara 10 till 20 nanometer från varandra. Att lägga till det geometriska mönstret förändrade elektronernas rörelse på samma sätt som att kasta stenar i en vattenmassa förändrar vågorna som krusar genom den. När det gäller titanium, mönstret fick elektronvågor att störa varandra, vilket ledde till att oxiden ledde mer elektricitet.

"Störningsmönstret höll i princip syret eller jonerna på plats som normalt skulle röra sig i material som titandioxid. Och vi fann att det var viktigt eller nödvändigt att hålla dem på plats för att få konstruktiv interferens av dessa vågor, " sa Phatak.

Forskarna undersökte konduktivitet och andra egenskaper med hjälp av två tekniker:Elektronholografi och elektronenergiförlustspektroskopi. För detta ändamål, de utnyttjade resurser vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en användaranläggning för DOE Office of Science, att tillverka sina prover och göra några av mätningarna.

"Vi skulle inte ha kunnat se detta unika mönster av interferens om vi inte kunde producera tillräckligt många av dessa hål i ett mönster, vilket är väldigt svårt att göra, ", sa Barrows. "Kompetens och resurser vid CNM och Argonnes Materials Science Division visade sig vara avgörande för att hjälpa oss att observera detta framväxande beteende."

Framtida applikationer

I framtiden, om forskare bättre kan förstå vad som gav upphov till ökningen av konduktiviteten, de skulle potentiellt kunna hitta sätt att kontrollera elektriska eller optiska egenskaper och utnyttja denna information för kvantinformationsbehandling. Insikter kan också användas för att utöka vår förståelse av material som kan ändra motstånd. Resistans mäter hur mycket ett material motstår flödet av elektroner i en elektrisk ström.

"Resistansomkopplande material är av intresse eftersom de kan vara informationsbärare - ett motståndstillstånd kan vara 0 och det andra kan vara 1, ", sa Phatak. "Det vi har gjort kan ge oss lite mer insikt i hur vi kan kontrollera dessa egenskaper genom att använda geometriska inneslutningar."