Znanstvenici pokazuju da mogu promijeniti svojstva materijala
Elektroni putuju poput valova kroz materijale, a kad se sudaraju i stupaju u interakciju, mogu stvoriti nove i zanimljive uzorke. Znanstvenici iz Nacionalnog laboratorija Argonne američkog Ministarstva energetike (DOE) vidjeli su da se nova vrsta valnog uzorka pojavljuje u tankom filmu metalnog oksida poznatom kao titanija kada mu je oblik ograničen. Zatvaranje, čin ograničavanja materijala unutar granice, može promijeniti svojstva materijala i kretanje molekula kroz njega.
U slučaju titanije, uzrokovalo je međusobno ometanje elektrona u jedinstvenom uzorku, što je povećalo vodljivost oksida ili stupanj do kojeg provodi električnu energiju. Sve se to dogodilo na mezoskali, na ljestvici na kojoj znanstvenici mogu vidjeti i kvantne učinke i kretanje elektrona i molekula.
Ovaj rad nudi znanstvenicima bolji uvid u to kako se atomi, elektroni i druge čestice ponašaju na kvantnoj razini. Takve bi informacije mogle pomoći u osmišljavanju novih materijala koji mogu obrađivati informacije i biti korisni u drugim elektroničkim aplikacijama.
"Ono što je ovaj rad doista izdvojilo bila je veličina ljestvice koju smo istraživali", rekao je autor Frank Barrows, apsolvent na sveučilištu u Argonne's Materials Science Division (MSD).
"Istraživanje na ovoj jedinstvenoj ljestvici duljina omogućilo nam je da vidimo doista zanimljive pojave koje ukazuju na to da se smetnje događaju na kvantnoj razini, te u isto vrijeme stečemo nove informacije o interakciji elektrona i iona."
Uobičajeno, kada se električna struja primijeni na oksid poput titanije, elektroni teku kroz materijal u obliku jednostavnog vala. U isto vrijeme, ioni - ili nabijene čestice - također se kreću uokolo. Ti procesi dovode do elektroničkih transportnih svojstava materijala, kao što su vodljivost i otpor, koji se koriste u dizajnu elektronike sljedeće generacije.
"Ono što smo učinili u našoj studiji je pokušali razumjeti kako možemo promijeniti svojstva materijala ograničavanjem geometrije ili oblika filma", rekla je koautorica Charudatta Phatak, znanstvenica za materijale i vođa grupe u Argonneovom MSD-u.
Za početak, istraživači su stvorili titanijske filmove, a zatim su na njima stvorili uzorak. U uzorku su bile rupe koje su bile udaljene samo 10 do 20 nanometara. Dodavanjem geometrijskog uzorka promijenilo se kretanje elektrona na isti način na koji bacanje stijena u vodeno tijelo mijenja valove koji kroz njega prolaze. U slučaju titanije, uzorak je uzrokovao međusobne smetnje elektronskih valova, što je dovelo do toga da oksid provodi više električne energije.
"Interferencijski uzorak u osnovi je držao kisik ili ione koji bi se normalno kretali u materijalima poput titanije. I otkrili smo da je njihovo držanje na mjestu važno ili potrebno za konstruktivno ometanje tih valova", rekao je Phatak.
Znanstvenici su istraživali vodljivost i druga svojstva koristeći dvije tehnike: elektronsku holografiju i spektroskopiju gubitka energije elektrona. U tu svrhu iskoristili su resurse u Argonneovom Centru za nanoraznovrsne materijale (CNM), DOE Uredu za korisničku podršku Ureda za znanost, kako bi izradili svoje uzorke i izvršili neka od mjerenja.
"Ne bismo mogli vidjeti ovaj jedinstveni obrazac smetnji da nismo mogli proizvesti dovoljno ovih rupa u uzorku, što je jako teško učiniti", rekao je Barrows. "Stručnost i resursi u CNM-u i Argonneovom odjelu za materijale pokazali su se ključnim za pomoć u promatranju ovog pojavnog ponašanja."
U budućnosti, ako istraživači mogu bolje razumjeti što je dovelo do povećanja vodljivosti, mogli bi potencijalno pronaći načine za kontrolu električnih ili optičkih svojstava i upotrijebiti te podatke za kvantnu obradu informacija. Uvidi se također mogu koristiti za proširenje našeg razumijevanja materijala koji mogu promijeniti otpor. Otpor mjeri koliko se materijal opire protoku elektrona u električnoj struji.
"Materijali za promjenu otpora su od interesa jer mogu biti nositelji informacija - jedno stanje otpora može biti 0, a drugo može biti 1", rekao je Phatak. "Ono što smo učinili može nam dati malo bolji uvid u to kako možemo kontrolirati ta svojstva pomoću geometrijskih ograničenja."
Izvor: ACS Publications