Un equipo de científicos redujo la lista de posibles mecanismos que subyacen a una transición inusual de aislante de metal utilizando una combinación de técnicas de rayos X. Esta transición tiene ramificaciones para el diseño de materiales para electrónica y sensores.
La transición entre ser eléctricamente conductor metálico a altas temperaturas y aislar eléctricamente a temperaturas más bajas se conoce como una transición de aislante metálico MIT. Identificar el mecanismo de activación que permite cristales utilizados en dispositivos como transistores en electrónica y temperatura.Los sistemas de control de sensores basados en la fabricación para cambiar el estado eléctrico son clave para desarrollar nuevos dispositivos que sean más pequeños y más eficientes que los que se usan actualmente
Por ejemplo, los transistores, y la mayoría de los componentes electrónicos, funcionan ajustando la conductividad, que esencialmente utiliza el nivel de resistencia eléctrica como un interruptor de encendido / apagado. El diseño de nuevos dispositivos electrónicos ha sido impulsado en gran medida por prueba y error. Comprender qué causa grandes cambiosen conductividad eléctrica, como en un MIT, puede permitirnos diseñar nuevos materiales que sean más baratos o que tengan propiedades de mayor rendimiento.
"Si entendemos cómo ocurre la transición, podemos explotar ese conocimiento para diseñar nuevos materiales para personalizar las propiedades del transistor, como seleccionar niveles de conductividad para hacer que los transistores sean más eficientes o hacer que los sensores funcionen en rangos personalizados", dijo Mary Upton,un científico de Advanced Photon Source APS, una instalación de usuarios del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Argonne.
El equipo de investigadores de los laboratorios nacionales Argonne y Lawrence Berkeley y la Universidad de Arkansas hicieron avances en la comprensión de esta transición al utilizar el APS para estudiar las perovskitas de la familia de los cristales de tierras raras, incluidos los compuestos de átomos de tierras raras, los niquelatos. Los nicquelatos son compuestos quecontienen un átomo central de níquel unido al oxígeno o grupos que contienen oxígeno y se consideran un modelo ideal para el estudio de esta transición.
El equipo estudió películas delgadas de óxido de níquel y neodimio NdNiO3, un nickelate, utilizando tres líneas de haz diferentes en APS, lo que permitió una exploración en profundidad de las muestras. Los nickelatos se consideran un modelo ideal para estudiar la transición porque se muestran con fuerzacomportamiento electrónico correlacionado que da lugar a propiedades electrónicas y magnéticas únicas.
Existen muchas teorías diferentes para explicar la mecánica que impulsa la transición metal-insular. El equipo pudo descartar esas teorías basadas en el orden de carga de las partículas en el material, incluida la teoría ampliamente difundida de que un patrón de tablero de ajedrez electrónico, quese ha observado a granel, desencadena la transición. Este patrón de tablero de ajedrez también se denomina orden de carga y desproporción de carga y se observa o no mediante el uso de la técnica de análisis de rayos X de difracción resonante. Los resultados se publicaron en julio en la revista Cartas de revisión física en un documento titulado "Comportamiento electrónico novedoso que facilita la transición del aislante de metal NdNiO3"
"Las líneas de luz APS proporcionan el alto flujo de fotones y la energía que son críticas cuando se trata con efectos electrónicos sutiles", dijo Upton, autor principal del artículo. "La óptica y la colaboración de última generación entre líneas de luz permiten detalles sin igual en elestudio de materiales. Mediciones de difracción de rayos X resonante, espectroscopía de absorción de rayos X y dispersión de rayos X inelástica resonante RIXS combinadas para dibujar una nueva imagen del material. La aplicación de la técnica RIXS a un problema de larga data fueposible gracias a capacidades mejoradas en mediciones de película delgada en la línea de luz "
Para estudiar la transición, se cultivaron muestras de película químicamente idénticas con pequeñas distorsiones estructurales inducidas por la tensión epitaxial inducida al cultivar una sola película de cristal sobre un sustrato cristalino. La ligera diferencia en las constantes de la red provocó cambios sustanciales en el comportamiento electrónico. El efectoLa tensión se conoce desde hace años, pero nunca se explicó. Una película con una distorsión a la tracción, donde todos los átomos están más distantes entre sí, muestra una transición de estado. Una película que crece con una distorsión ligeramente compresiva, donde todos los átomos están más juntosque a granel, es eléctricamente conductor a todas las temperaturas. Sin embargo, ninguna de las películas exhibió un tablero de ajedrez electrónico, por lo que no puede ser un requisito previo para un MIT.
Las mediciones también sugieren que la tensión de tracción facilita la transferencia de electrones entre dos átomos elementalmente diferentes. Esta observación fue una sorpresa porque se suponía que los átomos en cuestión estaban aislados unos de otros. Estos resultados sugieren fuertemente la necesidad de volver a examinarotras transiciones de estado similares en perovskitas.
"La transición de estado no es lo que se llama una transición pura de Mott-Hubbard, a pesar de la localización de electrones, ni una simple transición de transferencia de carga", dijo Philip Ryan, científico que trabaja en el APS y coautor del artículo.
Esta nueva visión de la transición de estado en los nickelatos ayudará a guiar el diseño de nuevos dispositivos electrónicos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Tona Kunz. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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