A veces, cosas que son técnicamente defectos, como imperfecciones en la red cristalina de un material, en realidad pueden producir cambios en las propiedades que abren nuevos tipos de aplicaciones útiles. Una nueva investigación de un equipo del MIT muestra que tales imperfecciones en una familia de materiales conocidosya que los óxidos metálicos aislantes pueden ser clave para su rendimiento en una variedad de aplicaciones de alta tecnología, como chips de memoria no volátiles y tecnologías de conversión de energía.
Los resultados se informan esta semana en la revista Cartas de revisión física , en un documento del profesor asociado del MIT Bilge Yildiz, el profesor y el rector asociado Krystyn Van Vliet, y el ex postdoc Mostafa Youssef.
Muchos investigadores han investigado estos materiales de óxido de metal, dice Yildiz, y "sus propiedades están altamente gobernadas por el número y el tipo de defectos que están presentes". Cuando se someten a fuerzas impulsoras fuertes, como campos eléctricos fuertes "el comportamiento de tales defectos no se había entendido bien ", dice ella.
Los investigadores tienen una comprensión teórica bien establecida de cómo funcionan perfectamente las versiones estructuradas de estos óxidos metálicos aislantes en una variedad de condiciones, como en campos eléctricos fuertes, pero no había tal teoría para describir los materiales cuando contienen tipos comunesDe acuerdo con Yildiz, es importante comprender estos efectos cuantitativamente para desarrollar esta prometedora familia de materiales para aplicaciones potenciales que incluyen nuevos tipos de memoria de computadora de baja energía y dispositivos de procesamiento, refrigeración eléctrica y dispositivos de conversión de energía electrocatalítica.como las pilas de combustible.
El equipo demostró un marco teórico y mostró cómo se altera la estabilidad y la estructura de un defecto puntual bajo campos eléctricos fuertes. Tomaron un defecto común llamado vacante de oxígeno neutral, un lugar donde debería aparecer un átomo de oxígeno en la red peroen cambio, dos electrones quedan atrapados. Sus resultados han cuantificado el comportamiento de polarización del material con este defecto, en un campo eléctrico.
"Las vacantes de oxígeno en particular son muy importantes en aplicaciones electrónicas y electroquímicas", dice Yildiz, quien tiene citas conjuntas en los departamentos de Ciencia e Ingeniería Nuclear y Ciencia e Ingeniería de Materiales.
En muchas de estas aplicaciones, dice, puede haber un gradiente de voltaje interno creado dentro del material de película delgada, y este gradiente de "potencial eléctrico" causa fuertes campos eléctricos. La comprensión de los efectos de esos campos es esencial para el diseño deciertos dispositivos nuevos.
"La mayor parte del trabajo en esta área es experimental", dice Yildiz. "Tomas una película delgada, la pones en un campo eléctrico y haces mediciones". Pero en tales experimentos, los efectos del potencial eléctrico localy el campo eléctrico es complicado, lo que hace que sea muy difícil entender los resultados. "Es imposible resolverlos entre sí, por lo que es necesario tener una teoría" para explicar los efectos, agrega.
Los investigadores han ideado un nuevo marco teórico que les permite aislar el efecto del campo eléctrico del efecto del potencial eléctrico y cuantificar ambos de forma independiente. Esto les permitió hacer predicciones muy específicas que son diferentes de las producidas por la teoría clásica y deberíanhacen posible validar el nuevo modelo experimentalmente dentro de un año, dice Yildiz.
Los hallazgos deberían ayudar a permitir el desarrollo de algunas aplicaciones potenciales importantes, dice. Uno está en un nuevo tipo de dispositivo de memoria de computadora conocido como memoria de conmutación resistiva, que proporciona velocidades de conmutación rápidas utilizando muy poca energía. Estos dispositivos de memoria dependen depresencia de defectos.
"La forma en que cambian su estado de resistencia [para registrar datos] depende del tipo de defecto, el contenido y la distribución", dice ella. "Para modelar el comportamiento del dispositivo, debe ser capaz de modelar cómo se aplica la energía eléctrica fuertelos campos alteran la estructura, concentración y distribución del defecto. "Eso es lo que permite este nuevo trabajo:" Si conoce cuantitativamente los efectos tanto del potencial como del campo, puede diseñar sus condiciones de operación para beneficiarse de estos efectos ".
Comprender estos efectos también es importante para otras aplicaciones, como la división de moléculas de agua para producir hidrógeno en interfaces sólido-líquido, dispositivos electrónicos que dependen de interfaces óxido-óxido u otros procesos electroquímicos que utilizan estos materiales como catalizadores, donde los defectos sirven comositios que permiten las interacciones.
Los materiales que estudió el equipo pertenecen a una clase conocida como óxidos binarios de metales alcalinotérreos, cuyos componentes están "entre la clase de materiales más abundante en la Tierra", dice Yildiz. "[Esta clase es] barata, abundante ytiene propiedades ajustables ", lo que lo hace prometedor para muchas aplicaciones. Pero agrega que el enfoque teórico que adoptaron ahora se aplicará de manera mucho más amplia, a muchos otros tipos de materiales de óxido y a otros tipos de defectos dentro de ellos además de las vacantes de oxígeno neutro.
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.
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