Deux chercheurs du MIT ont développé un matériau en couche mince dont la phase et les propriétés électriques peuvent être commutées entre métal et semi-conducteur simplement en appliquant une petite tension. Le matériau reste alors dans sa nouvelle configuration jusqu'à ce qu'il soit rebasculé par une autre tension. La découverte pourrait ouvrir la voie à un nouveau type de puce de mémoire informatique « non volatile » qui conserve les informations lorsque l'alimentation est coupée, et pour la conversion d'énergie et les applications catalytiques.

Les résultats, rapporté dans le journal Lettres nano dans un article de Qiyang Lu, étudiant diplômé en science des matériaux du MIT, et du professeur agrégé Bilge Yildiz, impliquer un matériau en couche mince appelé cobaltite de strontium, ou SrCoO X .

D'habitude, Yildiz dit, la phase structurelle d'un matériau est contrôlée par sa composition, Température, et la pression. "Ici pour la première fois, " elle dit, "nous démontrons que la polarisation électrique peut induire une transition de phase dans le matériau. Et en fait, nous y sommes parvenus en modifiant la teneur en oxygène du SrCoO X ."

"Il a deux structures différentes qui dépendent du nombre d'atomes d'oxygène par cellule unitaire qu'il contient, et ces deux structures ont des propriétés assez différentes, ", explique Lu.

L'une de ces configurations de la structure moléculaire est appelée pérovskite, et l'autre s'appelle brownmillerite. Lorsqu'il y a plus d'oxygène, il forme l'étroitement clos, structure cristalline en forme de cage de pérovskite, alors qu'une concentration plus faible d'oxygène produit la structure plus ouverte de la brownmillerite.

Les deux formes ont des produits chimiques très différents, électrique, magnétique, et propriétés physiques, et Lu et Yildiz ont découvert que le matériau peut être basculé entre les deux formes avec l'application d'une très petite quantité de tension - seulement 30 millivolts (0,03 volt). Et, une fois changé, la nouvelle configuration reste stable jusqu'à ce qu'elle soit retournée par une seconde application de tension.

Les cobaltites de strontium ne sont qu'un exemple d'une classe de matériaux connus sous le nom d'oxydes de métaux de transition, qui est considéré comme prometteur pour une variété d'applications, y compris les électrodes dans les piles à combustible, des membranes qui laissent passer l'oxygène pour la séparation des gaz, et les appareils électroniques tels que les memristors - une forme de non volatile, ultrarapide, et dispositif de mémoire économe en énergie. La capacité de déclencher un tel changement de phase grâce à l'utilisation d'une toute petite tension pourrait ouvrir de nombreuses utilisations pour ces matériaux, disent les chercheurs.

Des travaux antérieurs avec des cobaltites de strontium reposaient sur des changements dans la concentration d'oxygène dans l'atmosphère gazeuse environnante pour contrôler laquelle des deux formes le matériau prendrait, mais c'est intrinsèquement un processus beaucoup plus lent et plus difficile à contrôler, dit Lu. « Donc, notre idée était, ne change pas l'atmosphère, il suffit d'appliquer une tension."

"La tension modifie la pression effective d'oxygène à laquelle le matériau est confronté, " Yildiz ajoute. Pour rendre cela possible, les chercheurs ont déposé une couche très mince du matériau (la phase brownmillerite) sur un substrat, pour laquelle ils ont utilisé de la zircone stabilisée à l'yttrium.

Dans cette configuration, l'application d'une tension entraîne des atomes d'oxygène dans le matériau. L'application de la tension opposée a l'effet inverse. Pour observer et démontrer que le matériau a bien subi cette transition de phase lorsque la tension a été appliquée, l'équipe a utilisé une technique appelée diffraction des rayons X in situ au Center for Materials Science and Engineering du MIT.

Le principe de base de la commutation de ce matériau entre les deux phases en modifiant la pression et la température du gaz dans l'environnement a été développé au cours de la dernière année par des scientifiques du Oak Ridge National Laboratory. "Bien qu'intéressant, ce n'est pas un moyen pratique pour contrôler les propriétés de l'appareil en cours d'utilisation, " dit Yildiz. Avec leur travail actuel, les chercheurs du MIT ont permis de contrôler de manière pratique la phase et les propriétés électriques de cette classe de matériaux, en appliquant une charge électrique.

En plus des dispositifs de mémoire, le matériau pourrait à terme trouver des applications dans les piles à combustible et les électrodes pour batteries lithium-ion, dit Lu.

"Notre travail a des contributions fondamentales en introduisant la polarisation électrique comme moyen de contrôler la phase d'un matériau actif, et en jetant les bases scientifiques de base de ces nouveaux dispositifs de traitement de l'énergie et de l'information, " ajoute Yildiz.

Dans les recherches en cours, l'équipe travaille à mieux comprendre les propriétés électroniques du matériau dans ses différentes structures, et d'étendre cette approche à d'autres oxydes d'intérêt pour les applications mémoire et énergétique, en collaboration avec le professeur du MIT Harry Tuller.

José Santiso, le chef de file de la division croissance des nanomatériaux à l'Institut catalan des nanosciences et nanotechnologies de Barcelone, Espagne, qui n'a pas participé à cette recherche, l'appelle "une contribution très significative" à l'étude de cette classe intéressante de matériaux, et dit "il ouvre la voie à l'application de ces matériaux à la fois dans des dispositifs électrochimiques à l'état solide pour la conversion efficace de l'énergie ou le stockage de l'oxygène, ainsi que dans des applications possibles dans un nouveau type de dispositifs de mémoire."

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.