Les chercheurs de Northwestern Engineering ont développé une nouvelle stratégie de conception pour identifier de nouveaux matériaux présentant une transition métal-isolant (MIT), une classe rare de matériaux classés par leur capacité à basculer de manière réversible entre les états électriquement conducteurs et isolants.

La nouvelle méthode pourrait lancer la conception et la livraison futures de microélectronique plus rapide avec plus de capacités de stockage, ainsi que des plateformes de matériaux quantiques pour l'électronique du futur.

"Notre approche utilise la substitution d'anions à l'échelle atomique et la reconnaissance des propriétés clés du MIT pour identifier les matériaux MIT hétéroanioniques potentiels, qui n'ont pas été largement pris en compte à ce stade, " dit James Rondinelli, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux et Morris E. Fine Junior Professor in Materials and Manufacturing à la McCormick School of Engineering, qui dirigeait l'équipe. "Nous espérons qu'en formulant ces relations électronique structure-propriété, de nouvelles transitions dans les matériaux quantiques peuvent être conçues à l'avenir."

Un document décrivant le travail, intitulé "Design of Heteroanionic MoON exposant une transition Peierls Metal-inulator, " a été publié le 3 décembre dans la revue Lettres d'examen physique . Rondinelli était le co-auteur de l'article avec Danilo Puggioni, professeur adjoint de recherche au Département de science et génie des matériaux.

À l'aide de simulations informatiques de mécanique quantique à la grappe de calcul haute performance Quest de Northwestern, Rondinelli et les chercheurs ont conçu la structure cristalline picoscale du nouveau matériau, appelé oxynitrure de molybdène (MoON), pour accueillir la transition de phase. Les chercheurs ont découvert que le MIT s'est produit à près de 600 degrés Celsius, révélant son potentiel pour des applications dans les capteurs haute température et l'électronique de puissance.

Le groupe a noté que plusieurs paramètres de conception ont influencé la transition de phase de MoON. L'inclusion de plusieurs anions dans le matériau - dans ce cas, les ions d'oxygène et d'azote chargés négativement - ont activé la transition de phase en raison de configurations électroniques spécifiques liées à l'orientation spatiale des orbitales électroniques, soutenant les découvertes précédentes dans d'autres matériaux binaires du MIT. En outre, La structure cristalline de rutile flexible de MoON a permis la réversibilité entre les états électriquement conducteur et isolant.

Les résultats offrent un aperçu de la façon dont des changements subtils à l'échelle nanométrique peuvent être utilisés pour contrôler le comportement macroscopique, comme la conductivité, dans les matériaux.

« Un travail substantiel a été fait au cours de la dernière décennie pour comprendre les matériaux du MIT et en découvrir de nouveaux; cependant, moins de 70 composés uniques sont actuellement connus qui présentent cette transition thermique, " a déclaré Rondinelli. " Nous avons incorporé les principales caractéristiques des matériaux du MIT, y compris des caractéristiques structurelles particulières à l'échelle pico, ainsi que la configuration électronique cruciale d1, dans notre conception. Notre projet tire parti d'une manière dont nous et d'autres pouvons utiliser des concepts de conception clés de premier principe pour étendre l'espace de phase MIT et rechercher efficacement de nouveaux matériaux MIT. »

Les scientifiques espèrent en formulant ces relations structure-propriétés électroniques, de nouvelles transitions dans les matériaux quantiques peuvent être conçues à l'avenir. Ces composés sont utiles comme couche active pour les transistors ou dans les applications de mémoire.

« Les matériaux MIT représentent une classe de transitions de phase qui peuvent permettre des progrès dans le traitement et le stockage de l'information au-delà de la mise à l'échelle conventionnelle des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire en microélectronique, " a déclaré Rondinelli. " Cela se traduit par des appareils plus rapides avec plus de capacités de stockage. En outre, Les matériaux du MIT pourraient permettre des systèmes microélectroniques à faible consommation, ce qui signifie que vous auriez besoin de recharger votre appareil moins fréquemment, car il dure plus longtemps car les composants nécessitent moins d'énergie."