Результаты, опубликованные в журнале Nano Letters в статье аспиранта Массачусетского технологического института материаловедения Цияна Лу и доцента Бильге Йылдыза, касаются тонкопленочного материала, называемого кобальтитом стронция, или SrCoOx.
Обычно, говорит Йылдыз, структурная фаза материала определяется его составом, температурой и давлением. «Здесь впервые, — говорит она, — мы демонстрируем, что электрическое смещение может вызвать фазовый переход в материале.
И фактически мы добились этого, изменив содержание кислорода в SrCoOx."
«Он имеет две разные структуры, которые зависят от того, сколько атомов кислорода в элементарной ячейке он содержит, и эти две структуры имеют совершенно разные свойства», — объясняет Лу.
Одна из этих конфигураций молекулярной структуры называется перовскитом, а другая — браунмиллеритом. Когда присутствует больше кислорода, он образует плотно закрытую решетчатую кристаллическую структуру перовскита, тогда как более низкая концентрация кислорода создает более открытую структуру браунмиллерита.
Эти две формы имеют очень разные химические, электрические, магнитные и физические свойства, и Лу и Йилдиз обнаружили, что материал можно переключать между двумя формами с приложением очень небольшого напряжения — всего 30 милливольт (0.03 вольт). И после изменения новая конфигурация остается стабильной до тех пор, пока она не будет отменена вторым приложением напряжения.
Кобальтиты стронция — всего лишь один пример класса материалов, известных как оксиды переходных металлов, который считается многообещающим для множества применений, включая электроды в топливных элементах, мембраны, которые пропускают кислород для разделения газов, и электронные устройства, такие как мемристоры — — форма энергонезависимого, сверхбыстрого и энергоэффективного запоминающего устройства. Исследователи говорят, что способность вызвать такое изменение фазы за счет использования всего лишь крошечного напряжения может открыть множество применений для этих материалов.
Предыдущая работа с кобальтитами стронция основывалась на изменениях концентрации кислорода в окружающей газовой атмосфере, чтобы контролировать, какую из двух форм примет материал, но по сути, это гораздо более медленный и более сложный процесс для контроля, говорит Лу. "Итак, наша идея заключалась в том, чтобы не менять атмосферу, просто подайте напряжение."
«Напряжение изменяет эффективное давление кислорода, с которым сталкивается материал», — добавляет Йилдиз. Чтобы сделать это возможным, исследователи нанесли очень тонкую пленку материала (фаза браунмиллерита) на подложку, для которой использовали стабилизированный иттрием диоксид циркония.
В этой установке приложение напряжения заставляет атомы кислорода проникать в материал. Применение противоположного напряжения имеет обратный эффект. Чтобы наблюдать и продемонстрировать, что материал действительно прошел этот фазовый переход при приложении напряжения, команда использовала метод, называемый дифракцией рентгеновских лучей на месте в Центре материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института.
Основной принцип переключения этого материала между двумя фазами путем изменения давления и температуры газа в окружающей среде был разработан в течение прошлого года учеными из Окриджской национальной лаборатории. «Хотя это интересно, это непрактичный способ управления свойствами используемого устройства», — говорит Йилдиз.
В своей текущей работе исследователи из Массачусетского технологического института сделали возможным практический контроль фазовых и электрических свойств этого класса материалов, применяя электрический заряд.
По словам Лу, помимо устройств памяти, этот материал может найти применение в топливных элементах и электродах для литий-ионных батарей.
«Наша работа внесла фундаментальный вклад, представив электрическое смещение как способ управления фазой активного материала и заложив фундаментальную научную основу для таких новых устройств обработки энергии и информации», — добавляет Йылдыз.
В ходе текущих исследований команда работает над тем, чтобы лучше понять электронные свойства материала в его различных структурах и распространить этот подход на другие оксиды, представляющие интерес для приложений памяти и энергетики, в сотрудничестве с профессором Массачусетского технологического института Гарри Туллером.