Dans ce schéma, le réseau atomique d'un cristal d'oxyde de baryum est représenté, avec des atomes d'oxygène et de baryum représentés par des sphères rouges et grises. Un vide d'oxygène neutre, un endroit où un atome d'oxygène devrait apparaître dans le réseau mais est plutôt remplacé par deux électrons, est représenté par la forme jaune, qui représente la densité de charge de ces électrons. A gauche, le cristal est vu sans champ électrique appliqué, et à droite, avec un champ appliqué de 21,8 mégavolts par centimètre. Les distorsions du réseau révèlent les effets de ce champ électrique appliqué. Crédit :Felice Frankel
Parfois des choses qui sont techniquement des défauts, telles que les imperfections du réseau cristallin d'un matériau, peut réellement produire des changements dans les propriétés qui ouvrent de nouveaux types d'applications utiles. Une nouvelle recherche d'une équipe du MIT montre que de telles imperfections dans une famille de matériaux connus sous le nom d'oxydes métalliques isolants peuvent être la clé de leurs performances pour une variété d'applications de haute technologie, comme les puces de mémoire non volatile et les technologies de conversion d'énergie.
Les résultats sont rapportés cette semaine dans le journal Lettres d'examen physique , dans un article du professeur agrégé du MIT, Bilge Yildiz, Professeur et recteur associé Krystyn Van Vliet, et ancien post-doctorant Mostafa Youssef.
Ces matériaux d'oxyde métallique ont été étudiés par de nombreux chercheurs, Yildiz dit, et "leurs propriétés sont fortement régies par le nombre et le type de défauts qui sont présents." Lorsqu'il est soumis à de fortes forces motrices, tels que de forts champs électriques, "le comportement de tels défauts n'avait pas été bien compris, " elle dit.
Les chercheurs ont une compréhension théorique bien établie du fonctionnement des versions parfaitement structurées de ces oxydes métalliques isolants dans diverses conditions, comme dans les champs électriques puissants, mais il n'y avait pas une telle théorie pour décrire les matériaux lorsqu'ils contiennent des types communs de défauts, selon Yildiz. La compréhension quantitative de ces effets est importante afin de développer cette famille prometteuse de matériaux pour des applications potentielles, notamment de nouveaux types de mémoires informatiques et de dispositifs de traitement à faible énergie, réfrigération électrique, et des dispositifs électrocatalytiques de conversion d'énergie tels que des piles à combustible.
L'équipe a démontré un cadre théorique et montré comment la stabilité et la structure d'un défaut ponctuel sont altérées sous de forts champs électriques. Ils ont pris un défaut commun appelé lacune d'oxygène neutre - un endroit où un atome d'oxygène devrait apparaître dans le réseau mais où deux électrons sont piégés. Leurs résultats ont quantifié le comportement de polarisation du matériau avec ce défaut, dans un champ électrique.
« Les lacunes en oxygène en particulier sont très importantes dans les applications électroniques et électrochimiques, " dit Yildiz, qui occupe des postes conjoints dans les départements des sciences et de l'ingénierie nucléaires et de la science et de l'ingénierie des matériaux.
Dans nombre de ces applications, elle dit, il peut y avoir un gradient de tension interne créé dans le matériau en couche mince, et ce gradient de "potentiel électrique" provoque de forts champs électriques. Comprendre les effets de ces champs est essentiel pour la conception de certains nouveaux dispositifs.
"La plupart des travaux dans ce domaine sont expérimentaux, " dit Yildiz. " Tu prends une fine pellicule, tu le mets dans un champ électrique, et vous faites des mesures." Mais dans de telles expériences, les effets du potentiel électrique local et du champ électrique sont alambiqués, rendant très difficile la compréhension des résultats. "Il est impossible de les résoudre l'un de l'autre, il faut donc avoir une théorie" pour rendre compte des effets, Elle ajoute.
Les chercheurs ont maintenant mis au point un nouveau cadre théorique qui leur permet d'isoler l'effet de champ électrique de l'effet de potentiel électrique, et quantifier les deux indépendamment. Cela leur a permis de faire des prédictions très précises, différentes de celles produites par la théorie classique et devrait permettre de valider expérimentalement le nouveau modèle d'ici un an, dit Yildiz.
Les résultats devraient permettre le développement de certaines applications potentielles importantes, elle dit. L'un est dans un nouveau type de dispositif de mémoire informatique connu sous le nom de mémoire à commutation résistive, qui fournit des vitesses de commutation rapides en utilisant très peu d'énergie. Ces dispositifs de mémoire reposent sur la présence de défauts.
"La façon dont ils changent leur état de résistance [pour enregistrer des données] dépend du type de défaut, teneur, et diffusion, " dit-elle. " Afin de modéliser le comportement de l'appareil, vous devriez être capable de modéliser comment les champs électriques puissants appliqués modifient la structure du défaut, concentration, et la distribution. » C'est ce que permet ce nouveau travail :« Si vous connaissez quantitativement les effets à la fois du potentiel et du champ, alors vous pouvez concevoir vos conditions d'exploitation pour bénéficier de ces effets."
La compréhension de ces effets est également importante pour d'autres applications telles que la séparation des molécules d'eau pour produire de l'hydrogène aux interfaces solide-liquide, appareils électroniques qui reposent sur des interfaces oxyde-oxyde, ou d'autres procédés électrochimiques utilisant ces matériaux comme catalyseurs, où les défauts servent de sites qui permettent les interactions.
Les matériaux étudiés par l'équipe appartiennent à une classe connue sous le nom d'oxydes binaires alcalino-terreux, dont les constituants sont « parmi la classe de matériaux la plus abondante sur Terre, " dit Yildiz. " [Cette classe est] bon marché, abondant, et a des propriétés accordables, " ce qui le rend prometteur pour de nombreuses applications. Mais elle ajoute que l'approche théorique qu'ils ont adoptée sera désormais appliquée beaucoup plus largement, à de nombreux autres types de matériaux d'oxyde et à d'autres types de défauts à l'intérieur de ceux-ci en plus des lacunes d'oxygène neutre.
"Ce travail établit un nouveau paradigme pour l'étude des défauts dans les semi-conducteurs, en mettant en place les mathématiques nécessaires au calcul de l'énergie de formation de défauts dans des cristaux défectueux stimulés électriquement, " dit Cesare Franchini, professeur agrégé de physique numérique des matériaux à l'Université de Vienne, qui n'a pas participé à ce travail. "Ce travail prolonge les théories actuelles qui relient la thermodynamique à la polarisation électrique, et sera bénéfique pour pratiquement toutes les applications dans lesquelles les défauts (et leur accordabilité par des stimuli électriques) sont un atout, y compris la catalyse, électronique, et appareils électrocaloriques.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
