Comme des ondulations dans un étang, les électrons voyagent comme des ondes à travers les matériaux, et quand ils entrent en collision et interagissent, ils peuvent donner naissance à des modèles nouveaux et intéressants.

Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont vu un nouveau type de motif d'onde émerger dans un film mince d'oxyde métallique connu sous le nom de dioxyde de titane lorsque sa forme est confinée. Confinement, l'acte de restreindre les matériaux à l'intérieur d'une limite, peut altérer les propriétés d'un matériau et le mouvement des molécules à travers celui-ci.

Dans le cas de l'oxyde de titane, il a fait interférer les électrons les uns avec les autres dans un modèle unique, ce qui a augmenté la conductivité de l'oxyde, ou le degré auquel il conduit l'électricité. Tout cela s'est passé à l'échelle méso, une échelle où les scientifiques peuvent voir à la fois les effets quantiques et le mouvement des électrons et des molécules.

Ce travail offre aux scientifiques un meilleur aperçu de la façon dont les atomes, les électrons et autres particules se comportent au niveau quantique. Ces informations pourraient aider à concevoir de nouveaux matériaux pouvant traiter l'information et être utiles dans d'autres applications électroniques.

"Ce qui distingue vraiment ce travail, c'est la taille de l'échelle que nous avons étudiée, " a déclaré l'auteur principal Frank Barrows, un étudiant diplômé de l'Université Northwestern dans la Division des sciences des matériaux (MSD) d'Argonne. "L'enquête à cette échelle de longueur unique nous a permis de voir des phénomènes vraiment intéressants qui indiquent qu'il y a des interférences au niveau quantique, et en même temps obtenir de nouvelles informations sur la façon dont les électrons et les ions interagissent."

Modification de la géométrie pour modifier les propriétés du matériau

Normalement, lorsqu'un courant électrique est appliqué à un oxyde comme l'oxyde de titane, les électrons traversent le matériau sous une forme d'onde simple. À la fois, les ions - ou particules chargées - se déplacent également. Ces processus donnent naissance aux propriétés de transport électronique du matériau, comme la conductivité et la résistance, qui sont exploités dans la conception de l'électronique de nouvelle génération.

"Ce que nous avons fait dans notre étude était d'essayer de comprendre comment nous pouvons changer les propriétés des matériaux en confinant la géométrie ou la forme du film, " a déclaré le co-auteur Charudatta Phatak, un scientifique des matériaux et chef de groupe au MSD d'Argonne.

Commencer, les chercheurs ont créé des films de titane, puis conçu un motif sur eux. Dans le motif se trouvaient des trous distants de seulement 10 à 20 nanomètres. L'ajout du motif géométrique a modifié le mouvement des électrons de la même manière que le fait de jeter des pierres dans un plan d'eau modifie les vagues qui le traversent. Dans le cas de l'oxyde de titane, le motif a provoqué des interférences entre les ondes électroniques, ce qui a conduit l'oxyde à conduire plus d'électricité.

"Le modèle d'interférence maintenait essentiellement en place l'oxygène ou les ions qui se déplaceraient normalement dans des matériaux comme l'oxyde de titane. Et nous avons constaté que les maintenir en place était important ou nécessaire pour obtenir une interférence constructive de ces ondes, " dit Phatak.

Les chercheurs ont étudié la conductivité et d'autres propriétés à l'aide de deux techniques :l'holographie électronique et la spectroscopie de perte d'énergie électronique. À cette fin, ils ont tiré parti des ressources du Centre des matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, pour fabriquer leurs échantillons et faire certaines des mesures.

« Nous n'aurions pas pu voir ce modèle d'interférence unique si nous n'avions pas été en mesure de produire suffisamment de ces trous dans un modèle, ce qui est très difficile à faire, " a déclaré Barrows. " L'expertise et les ressources du CNM et de la Division des sciences des matériaux d'Argonne se sont avérées essentielles pour nous aider à observer ce comportement émergent. "

Applications futures

À l'avenir, si les chercheurs peuvent mieux comprendre ce qui a provoqué l'augmentation de la conductivité, ils pourraient potentiellement trouver des moyens de contrôler les propriétés électriques ou optiques et exploiter ces informations pour le traitement de l'information quantique. Les informations pourraient également être utilisées pour élargir notre compréhension des matériaux qui peuvent changer de résistance. La résistance mesure à quel point un matériau résiste au flux d'électrons dans un courant électrique.

« Les matériaux à commutation de résistance sont intéressants car ils peuvent être des supports d'informations - un état de résistance peut être 0 et l'autre peut être 1, " a déclaré Phatak. " Ce que nous avons fait peut nous donner un peu plus d'informations sur la façon dont nous pouvons contrôler ces propriétés en utilisant des confinements géométriques. "