Исследователи из Университета Аалто в Финляндии визуализировали, как миграция ионов кислорода в сложном оксидном материале заставляет материал изменять свою кристаллическую структуру однородным и обратимым образом, вызывая большие модуляции электрического сопротивления. Они выполнили одновременную визуализацию и измерения сопротивления в просвечивающем электронном микроскопе с использованием держателя образца с электрическим зондом нанометрового размера. Память с произвольным доступом с переключением сопротивления может использовать этот эффект.
Держатель образца помогает контролировать миграцию ионов
"В просвечивающем электронном микроскопе пучок высокоэнергетических электронов проходит через очень тонкий образец.
Различные детекторы собирают электроны после их взаимодействия с образцом, предоставляя подробную информацию об атомной структуре и составе материала. Этот метод чрезвычайно эффективен для определения характеристик наноматериалов, но при традиционном использовании он не позволяет производить манипуляции с активным материалом внутри микроскопа.
В нашем исследовании мы использовали специальный держатель образца с пьезоуправляемым металлическим зондом для создания электрического наноконтакта. Этот метод in situ позволил нам применять короткие импульсы напряжения и тем самым контролировать миграцию ионов кислорода в нашем образце », — объясняет научный сотрудник Академии Финляндии Лиде Яо.
Исследователи обнаружили, что миграция ионов кислорода из области контакта приводит к резкому изменению структуры решетки оксида и увеличению электрического сопротивления.
Изменение полярности напряжения полностью восстанавливает исходные свойства материала. Электротермическое моделирование, проведенное кандидатом наук Сампо Инкиненом, показало, что комбинация индуцированного током нагрева образца и направленной электрическим полем миграции ионов вызывает эффект переключения.
Ионотронная концепция для управления несколькими свойствами материала
«Материал, который мы исследовали в этом исследовании, представляет собой сложный оксид. Сложные оксиды могут проявлять множество интересных физических свойств, включая магнетизм, сегнетоэлектричество и сверхпроводимость, и все эти свойства чувствительно меняются в зависимости от степени окисления материала.
Миграция ионов кислорода, индуцированная напряжением, действительно изменяет степень окисления, вызывая сильную реакцию материала. Хотя мы продемонстрировали прямую корреляцию между содержанием кислорода, кристаллической структурой и электрическим сопротивлением, ту же самую ионотронную концепцию можно использовать для управления другими свойствами материала », — говорит профессор Себастьян ван Дейкен, который является соавтором статьи с Яо.
«В текущем исследовании мы использовали специальный держатель образца для одновременных измерений структуры атомного масштаба и электрического сопротивления. Сейчас мы разрабатываем совершенно новый и уникальный держатель, который позволит проводить измерения с помощью просвечивающей электронной микроскопии, пока образец облучается интенсивным светом. «Мы планируем исследовать процессы атомного масштаба в перовскитных солнечных элементах и других оптоэлектронных материалах с помощью этой установки в будущем», — добавляет Яо.