La capacité des matériaux à changement de phase à passer facilement et rapidement d'une phase à l'autre les a rendus précieux en tant que source de faible consommation de mémoire non volatile ou « flash » et de stockage de données. Aujourd'hui, une toute nouvelle classe de matériaux à changement de phase a été découverte par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l'Université de Californie à Berkeley qui pourraient être appliquées aux technologies de mémoire vive à changement de phase (PCM) et éventuellement au stockage de données optiques. Les nouveaux matériaux à changement de phase - des alliages de nanocristaux d'un métal et d'un semi-conducteur - sont appelés "BEANs, " pour les nanostructures binaires en alliage eutectique.

« Changements de phase dans les BEAN, les faire passer de l'état cristallin à l'état amorphe et de nouveau à l'état cristallin, peut être induit en quelques nanosecondes par un courant électrique, lumière laser ou une combinaison des deux, " dit Daryl Chrzan, un physicien qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et le département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley. « Travailler avec des nanoparticules d'étain germanium intégrées dans la silice comme nos premiers BEANs, nous avons pu stabiliser à la fois les phases solide et amorphe et avons pu régler la cinétique de commutation entre les deux simplement en modifiant la composition.

Chrzan est l'auteur correspondant sur un article rapportant les résultats de cette recherche qui a été publié dans la revue NanoLettres intitulé « Nanostructures d'alliages eutectiques binaires intégrés :une nouvelle classe de matériaux à changement de phase ».

Les co-auteurs de l'article avec Chrzan étaient Swanee Shin, Julien Guzman, Chun Wei Yuan, Christophe Liao, Cosima Boswell-Koller, Pierre Pierre, Oscar Dubon, André Mineur, Masashi Watanabe, Jeffrey Beeman, Kin Yu, Joël Ager et Eugène Haller.

"Ce que nous avons montré, c'est que les nanostructures d'alliages eutectiques binaires, tels que les points quantiques et les nanofils, peut servir de matériaux à changement de phase, », dit Chrzan. « La clé du comportement que nous avons observé est l'intégration de nanostructures dans une matrice de volumes à l'échelle nanométrique. La présence de cette interface nanostructure/matrice permet un refroidissement rapide qui stabilise la phase amorphe, et nous permet également d'ajuster la cinétique de transformation du matériau à changement de phase.

Un alliage eutectique est un matériau métallique qui fond à la température la plus basse possible pour son mélange de constituants. Le composé germanium-étain est un alliage eutectique qui a été considéré par les chercheurs comme un matériau à changement de phase prototype car il peut exister à température ambiante dans un état cristallin stable ou un état amorphe métastable. Chrzan et ses collègues ont découvert que lorsque des nanocristaux d'étain de germanium étaient incrustés dans de la silice amorphe, les nanocristaux formaient une nanostructure bilobée à moitié métallique cristalline et à moitié semi-conductrice cristalline.

« Le refroidissement rapide après la fusion par laser pulsé stabilise un métastable, amorphe, état de phase de composition mélangée à température ambiante, tandis qu'un chauffage modéré suivi d'un refroidissement plus lent ramène les nanocristaux à leur état cristallin bilobé initial, », dit Chrzan. "La silice agit comme un petit tube à essai très propre qui confine les nanostructures de sorte que les propriétés de l'interface BEAN/silice soient capables de dicter les propriétés uniques de changement de phase."

Bien qu'ils n'aient pas encore caractérisé directement les propriétés de transport électronique des structures BEAN bilobées et amorphes, à partir d'études sur des systèmes apparentés, Chrzan et ses collègues s'attendent à ce que le transport ainsi que les propriétés optiques de ces deux structures soient sensiblement différents et que ces différences soient ajustables par des modifications de composition.

« A l'état allié amorphe, nous nous attendons à ce que le BEAN s'affiche normalement, conductivité métallique, », dit Chrzan. « A l'état bilobé, le BEAN comprendra une ou plusieurs barrières Schottky qui peuvent être conçues pour fonctionner comme une diode. À des fins de stockage de données, la conduction métallique pourrait signifier un zéro et une barrière Schottky pourrait signifier un un.

Chrzan et ses collègues étudient maintenant si les BEANs peuvent supporter des changements de phase répétés et si le basculement entre les structures bilobées et amorphes peut être incorporé dans une géométrie de fil. Ils souhaitent également modéliser le flux d'énergie dans le système, puis utiliser cette modélisation pour adapter les impulsions de lumière/courant pour des propriétés de changement de phase optimales.

Les caractérisations en microscopie électronique à transmission in-situ des structures BEAN ont été réalisées au Centre national de microscopie électronique de Berkeley Lab, l'un des premiers centres mondiaux de microscopie électronique et de microcaractérisation.