(Phys.org) — Les scientifiques commencent tout juste à découvrir et à étudier des matériaux qui peuvent passer d'isolants à conducteurs à température ambiante sous une tension appliquée. Il n'y a que quelques exemples connus, mais leur potentiel d'utilisation dans les nouvelles technologies – aussi futuriste que la « cape d'invisibilité » portée par Harry Potter dans la série de livres du même nom – est très excitant.

Chez NSLS, les chercheurs ont étudié un nouvel ajout à ce groupe d'élite - des nanofils en bronze d'oxyde de vanadium - et mesuré drastiquement, transitions inédites de l'isolant au conducteur. Leur travail fait également allusion à ce qui se passe au niveau atomique. Il s'agit d'une étape cruciale vers le développement d'applications possibles, qui comprennent un type de mémoire informatique appelé memristor, actuellement en développement dans certaines entreprises ; nouvelles variétés de revêtements électrochromes, des films minces qui changent de couleur de manière réversible en réponse à une tension appliquée ; et transistors.

Ici, des chercheurs de l'Université de Buffalo ont utilisé plusieurs méthodes de rayons X et de microscopie pour étudier les nanofils, certains pour caractériser les fils après synthèse et d'autres pour "voir" ce qui se passait lorsque les fils étaient pressés en pastilles et soumis à un champ électrique. Ensemble, les techniques donnent une image détaillée des structures atomiques et électroniques des fils avant et après la transition.

Les fils sont constitués des éléments vanadium, oxygène, et le plomb (sous forme d'ions positifs). Le groupe les a créés en utilisant une méthode de synthèse qui donne des échantillons de très haute qualité. Il s'agit d'une réalisation importante en soi, comme l'incapacité de créer des échantillons avec des structures presque sans défauts a déjà été un obstacle à l'étude de ces matériaux, car trop d'imperfections étouffent le phénomène.

Lorsque le groupe a appliqué une tension aux pastilles de nanofils, ils ont vu le courant augmenter très lentement, puis augmenter à une certaine tension de seuil. Alors que cet effet était le plus dramatique à des températures froides, il était encore évident jusqu'à la température ambiante.

Les mesures aux rayons X indiquent que le mécanisme à l'origine de la transition est un afflux de porteurs de charge (électrons) qui se produit lorsque la tension atteint le seuil. Cette augmentation de la densité des porteurs « fait fondre » le modèle d'ordre des charges, l'arrangement ordonné des sites dans le réseau atomique où les électrons se regroupent.

"Ces nanofils constituent un ajout rare à la liste des matériaux présentant une transition métal-isolant électriquement accordable prononcée à température ambiante, " a déclaré Sarbajit Banerjee de l'Université de Buffalo, le chercheur principal de l'étude. "L'induction électrique d'un seuil de densité de porteurs peut dévoiler une grande variété de phénomènes de transport éclectique dans ces matériaux, et nous sommes ravis d'approfondir nos recherches."

En outre, l'analyse du groupe montre que chaque nanofil est presque parfaitement cristallin et, d'un diamètre moyen de 170 nanomètres (nm) et d'une longueur au moins 500 fois supérieure, a un "rapport d'aspect" élevé. Pour un nanofil, c'est une qualité très souhaitable car elle permet au courant de s'écouler dans une voie extrêmement étroite, canal presque unidimensionnel. L'oxyde de vanadium prend trois formes de molécules différentes, chacune formant des chaînes qui s'étendent sur toute la longueur du fil. Les ions plomb sont situés dans les tunnels entre les chaînes.

La partie de la recherche aux rayons X effectuée au NSLS a eu lieu sur les lignes de lumière U7A et X23A2. L'étude complète a été publiée en ligne le 17 août 2012, dans Matériaux fonctionnels avancés .