El término aleación generalmente se refiere a una mezcla de varios metales. Sin embargo, también se pueden alear otros materiales. En la industria de los semiconductores, por ejemplo, Las aleaciones de óxido y nitruro se han utilizado con éxito durante mucho tiempo para ajustar las propiedades funcionales del material. Generalmente, estos cambios ocurren gradualmente y las propiedades de los materiales base aún son fáciles de reconocer.

Sin embargo, si se mezclan compuestos con estructuras cristalinas inigualables, Se forman "aleaciones heteroestructurales". En estas aleaciones, los cambios de estructura dependen de la proporción de mezcla de los componentes. Algunas veces, esto produce propiedades sorprendentes que difieren notablemente de las de los materiales base. Son estas aleaciones de óxidos las que interesan al investigador de Empa, Sebastian Siol. No solo quiere descubrirlas, pero hazlos utilizables para la vida diaria. En su búsqueda por encontrar el material deseado, tiene que vigilar las propiedades de varios materiales a la vez, como la estructura, las propiedades electrónicas y la estabilidad a largo plazo.

Siol se unió a Empa el año pasado. Previamente, realizó una investigación en el Laboratorio Nacional de Investigación de Energía Renovable (NREL) en Golden, Colorado, donde dejó una publicación destacada:las aleaciones con "presión negativa". Junto con sus colegas, Mezcló seleniuro de manganeso y telururo de manganeso utilizando una técnica de vapor frío (pulverización catódica con magnetrón). En ciertas proporciones, los materiales base se fusionaron para formar una red cristalina que resultaba "incómoda" para ambos componentes. Ninguno de los socios pudo forzar su estructura de cristal favorita, que prefiere en estado puro, sobre el otro.

El compromiso resultante fue una nueva fase, que normalmente solo se formaría a "presión negativa", es decir, cuando el material está permanentemente expuesto a tensión. Estos materiales son extremadamente difíciles de producir en condiciones normales. Siol y sus colegas de NREL han logrado superar esta dificultad. El nuevo material, ahora accesible gracias a este método, muestra muchas propiedades útiles. Por ejemplo, es piezoeléctrico. En otras palabras, se puede utilizar para generar electricidad, producir detectores o realizar experimentos con semiconductores, lo que no habría sido posible con los materiales de base puros.

Investigando sistemas estables

En Empa, Siol aportará a la mesa su experiencia en la fabricación de aleaciones de óxidos "imposibles". Su objetivo es descubrir mezclas de óxidos con una estructura variable y así estabilizarlas hasta tal punto que sean aptas para el uso diario. El Laboratorio de Tecnologías de Unión y Corrosión dirigido por Lars Jeurgens tiene mucha experiencia en aplicaciones prácticas para capas y aleaciones de óxidos estables. El enfoque inicial está en los óxidos mixtos hechos de titanio y óxido de tungsteno, que podría ser de interés para revestimientos de ventanas, tecnología de semiconductores o tecnología de sensores. La colega de Siol, Claudia Cancellieri, ha estado investigando las propiedades electrónicas de las interfaces de óxido durante varios años y aporta su experiencia al proyecto.

"La combinación de materiales es muy emocionante, "explica Siol. Los óxidos de titanio son extremadamente estables y se utilizan en células solares, pinturas murales y pasta de dientes. Óxidos de tungsteno, por otra parte, son comparativamente inestables y se utilizan para ventanas inteligentes, sensores de gas o convertidores catalíticos en petroquímica. "En el pasado, la investigación a menudo se centra únicamente en optimizar las propiedades de los materiales, "dice Siol." Es crucial, sin embargo, que el material se puede utilizar durante varios años en el campo de aplicación respectivo ". Por ejemplo, esto sería importante para los revestimientos de semiconductores en ventanas electrocrómicas, que tienen que durar décadas en entornos agresivos, expuesto a la luz solar y a las fluctuaciones de temperatura. Los investigadores de Empa buscan esta estabilidad a largo plazo.

Para producir estas fases de óxido, Siol y sus colegas utilizan diferentes técnicas escalables industrialmente:oxidación controlada de películas delgadas de metal en un horno de tubo o solución electrolítica, así como la pulverización catódica reactiva, donde los metales se oxidan directamente durante el proceso de deposición. Aleaciones de óxidos "imposibles", el tema de investigación fundamental hasta ahora, por lo tanto, se están volviendo gradualmente tangibles para aplicaciones industriales.