Dos investigadores del MIT han desarrollado un material de película delgada cuyas propiedades eléctricas y de fase se pueden cambiar entre metálicas y semiconductoras simplemente aplicando un voltaje pequeño. El material permanece en su nueva configuración hasta que se vuelva a cambiar por otro voltaje. El descubrimiento podría pavimentarel camino para un nuevo tipo de chip de memoria de computadora "no volátil" que retiene información cuando se apaga la alimentación, y para la conversión de energía y aplicaciones catalíticas.
Los hallazgos, reportados en la revista Nano letras en un artículo del estudiante de posgrado de ciencias de materiales del MIT Qiyang Lu y el profesor asociado Bilge Yildiz, involucran un material de película delgada llamado cobaltita de estroncio, o SrCoOx.
Por lo general, dice Yildiz, la fase estructural de un material está controlada por su composición, temperatura y presión. "Aquí, por primera vez", dice ella, "demostramos que el sesgo eléctrico puede inducir una transición de fase en el material.Y, de hecho, lo logramos cambiando el contenido de oxígeno en SrCoOx ".
"Tiene dos estructuras diferentes que dependen de cuántos átomos de oxígeno por unidad de celda contiene, y estas dos estructuras tienen propiedades bastante diferentes", explica Lu.
Una de estas configuraciones de la estructura molecular se llama perovskita, y la otra se llama brownmillerita. Cuando hay más oxígeno presente, forma la estructura cristalina de perovskita, cerrada como una jaula, mientras que una concentración más baja de oxígeno produce laestructura más abierta de brownmillerita.
Las dos formas tienen propiedades químicas, eléctricas, magnéticas y físicas muy diferentes, y Lu e Yildiz descubrieron que el material se puede voltear entre las dos formas con la aplicación de una cantidad muy pequeña de voltaje: solo 30 milivoltios 0.03voltios. Y, una vez cambiada, la nueva configuración se mantiene estable hasta que una segunda aplicación de voltaje la devuelve.
Las cobaltitas de estroncio son solo un ejemplo de una clase de materiales conocidos como óxidos de metales de transición, que se consideran prometedores para una variedad de aplicaciones que incluyen electrodos en celdas de combustible, membranas que permiten el paso del oxígeno para la separación de gases y dispositivos electrónicos comomemristors: una forma de dispositivo de memoria no volátil, ultrarrápido y de bajo consumo de energía. La capacidad de desencadenar un cambio de fase mediante el uso de solo un pequeño voltaje podría abrir muchos usos para estos materiales, dicen los investigadores.
El trabajo previo con cobaltitas de estroncio se basó en cambios en la concentración de oxígeno en la atmósfera de gas circundante para controlar cuál de las dos formas tomaría el material, pero ese es inherentemente un proceso mucho más lento y más difícil de controlar, dice Lu. "nuestra idea era no cambiar la atmósfera, solo aplicar un voltaje "
"El voltaje modifica la presión de oxígeno efectiva que enfrenta el material", agrega Yildiz. Para que eso sea posible, los investigadores depositaron una película muy delgada del material la fase de brownmillerita sobre un sustrato, para lo cual utilizaron circonio estabilizado con itrio.
En esa configuración, la aplicación de un voltaje impulsa los átomos de oxígeno en el material. La aplicación del voltaje opuesto tiene el efecto inverso. Para observar y demostrar que el material realmente pasó por esta transición de fase cuando se aplicó el voltaje, el equipo utilizó una técnicallamado difracción de rayos X in situ en el Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.
El principio básico de cambiar este material entre las dos fases alterando la presión y la temperatura del gas en el medio ambiente fue desarrollado en el último año por científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. "Si bien es interesante, este no es un medio práctico para controlar el dispositivopropiedades en uso ", dice Yildiz. Con su trabajo actual, los investigadores del MIT han permitido el control de la fase y las propiedades eléctricas de esta clase de materiales de manera práctica, mediante la aplicación de una carga eléctrica.
Además de los dispositivos de memoria, el material podría encontrar aplicaciones en pilas de combustible y electrodos para baterías de iones de litio, dice Lu.
"Nuestro trabajo tiene contribuciones fundamentales al introducir el sesgo eléctrico como una forma de controlar la fase de un material activo y al sentar las bases científicas básicas para tales dispositivos novedosos de procesamiento de energía e información", agrega Yildiz.
En una investigación en curso, el equipo está trabajando para comprender mejor las propiedades electrónicas del material en sus diferentes estructuras, y para extender este enfoque a otros óxidos de interés para aplicaciones de memoria y energía, en colaboración con el profesor del MIT Harry Tuller.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :