Al confinar el transporte de electrones e iones en una película delgada modelada, los científicos encuentran una manera de mejorar potencialmente las propiedades de los materiales para el diseño de la electrónica de próxima generación
Al igual que las ondas en un estanque, los electrones viajan como ondas a través de los materiales, y cuando chocan e interactúan, pueden dar lugar a patrones nuevos e interesantes.
Los científicos del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han visto surgir un nuevo tipo de patrón de onda en una película delgada de óxido metálico conocida como titania cuando su forma es confinada. Confinamiento, el acto de restringir materiales dentro de un límite, puede alterar las propiedades de un material y el movimiento de moléculas a través de él.
En el caso de la titania, provocó que los electrones interfirieran entre sí en un patrón único, lo que aumentó la conductividad del óxido o el grado en que conduce la electricidad. Todo esto sucedió en la mesoescala, una escala en la que los científicos pueden ver tantoefectos cuánticos y el movimiento de electrones y moléculas.
En total, este trabajo ofrece a los científicos más información sobre cómo se comportan los átomos, electrones y otras partículas a nivel cuántico. Esta información podría ayudar a diseñar nuevos materiales que puedan procesar información y ser útiles en otras aplicaciones electrónicas.
"Lo que realmente distingue a este trabajo fue el tamaño de la escala que investigamos", dijo el autor principal Frank Barrows, un estudiante graduado de la Northwestern University en la División de Ciencia de Materiales MSD de Argonne. "La investigación a esta escala de longitud única nos permitió verfenómenos realmente interesantes que indican que se está produciendo una interferencia a nivel cuántico y, al mismo tiempo, obtienen nueva información sobre cómo interactúan los electrones y los iones ".
alteración de la geometría para cambiar las propiedades del material
Normalmente, cuando se aplica una corriente eléctrica a un óxido como la titania, los electrones fluyen a través del material en una forma de onda simple. Al mismo tiempo, los iones, o partículas cargadas, también se mueven. Estos procesos dan lugar a lalas propiedades de transporte electrónico del material, como la conductividad y la resistencia, que se aprovechan en el diseño de la electrónica de próxima generación.
"Lo que hicimos en nuestro estudio fue tratar de comprender cómo podemos cambiar las propiedades del material al limitar la geometría o la forma de la película", dijo la coautora Charudatta Phatak, científica de materiales y líder de grupo en el MSD de Argonne.
Para empezar, los investigadores crearon películas de titania, luego diseñaron un patrón en ellas. En el patrón había agujeros que estaban separados por tan solo 10 a 20 nanómetros. Agregar el patrón geométrico alteró el movimiento de los electrones de la misma manera que arrojar rocas en unEl cuerpo de agua altera las ondas que lo atraviesan. En el caso de la titania, el patrón provocó que las ondas de electrones interfirieran entre sí, lo que llevó al óxido a conducir más electricidad.
"El patrón de interferencia básicamente mantuvo en su lugar el oxígeno o los iones que normalmente se moverían en materiales como la titania. Y descubrimos que mantenerlos en su lugar era importante o necesario para obtener una interferencia constructiva de esas ondas", dijo Phatak.
Los investigadores investigaron la conductividad y otras propiedades utilizando dos técnicas: holografía electrónica y espectroscopia de pérdida de energía electrónica. Con ese fin, aprovecharon los recursos del Centro de materiales a nanoescala CNM de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de ciencia del DOE, para fabricar sus muestras.y haga algunas de las medidas.
"No hubiéramos podido ver este patrón único de interferencia si no hubiéramos podido producir suficientes de estos agujeros en un patrón, lo cual es muy difícil de hacer", dijo Barrows. "Experiencia y recursos en elCNM y la División de Ciencia de Materiales de Argonne demostraron ser fundamentales para ayudarnos a observar este comportamiento emergente ".
Aplicaciones futuras
En el futuro, si los investigadores pueden comprender mejor qué dio lugar al aumento de la conductividad, podrían encontrar formas de controlar las propiedades eléctricas u ópticas y aprovechar esta información para el procesamiento de información cuántica. Los conocimientos también podrían usarse para ampliar nuestra comprensión demateriales que pueden cambiar la resistencia. La resistencia mide cuánto resiste un material al flujo de electrones en una corriente eléctrica.
"Los materiales de conmutación de resistencia son de interés porque pueden ser portadores de información: un estado de resistencia puede ser 0 y el otro puede ser 1", dijo Phatak. "Lo que hemos hecho puede darnos un poco más de información sobre cómopodemos controlar estas propiedades usando confinamientos geométricos. "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Argonne . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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