En este diagrama, se representa la red atómica de un cristal de óxido de bario, con átomos de oxígeno y bario representados por esferas rojas y grises. Una vacante de oxígeno neutro, un lugar donde debería aparecer un átomo de oxígeno en la red, pero en su lugar es reemplazado por dos electrones, está representado por la forma amarilla, que representa la densidad de carga de esos electrones. A la izquierda el cristal se ve sin campo eléctrico aplicado, y a la derecha, con un campo aplicado de 21,8 megavoltios por centímetro. Las distorsiones de la celosía revelan los efectos de ese campo eléctrico aplicado. Crédito:Felice Frankel
A veces, cosas que técnicamente son defectos, como imperfecciones en la red cristalina de un material, de hecho, puede producir cambios en las propiedades que abren nuevos tipos de aplicaciones útiles. Una nueva investigación de un equipo del MIT muestra que tales imperfecciones en una familia de materiales conocidos como óxidos metálicos aislantes pueden ser clave para su desempeño en una variedad de aplicaciones de alta tecnología. como chips de memoria no volátiles y tecnologías de conversión de energía.
Los hallazgos se informan esta semana en la revista. Cartas de revisión física , en un artículo del profesor asociado del MIT Bilge Yildiz, Profesora y rectora adjunta Krystyn Van Vliet, y el ex postdoctorado Mostafa Youssef.
Estos materiales de óxidos metálicos han sido investigados por muchos investigadores, Yildiz dice:y "sus propiedades se rigen en gran medida por el número y el tipo de defectos que están presentes". Cuando se somete a fuertes fuerzas impulsoras, como campos eléctricos fuertes, "el comportamiento de tales defectos no se había entendido bien, " ella dice.
Los investigadores tienen una comprensión teórica bien establecida de cómo funcionan las versiones perfectamente estructuradas de estos óxidos metálicos aislantes en una variedad de condiciones. como en campos eléctricos fuertes, pero no existía tal teoría para describir los materiales cuando contienen tipos comunes de defectos, según Yildiz. Comprender estos efectos cuantitativamente es importante para desarrollar esta familia prometedora de materiales para aplicaciones potenciales, incluidos nuevos tipos de dispositivos de procesamiento y memoria de computadora de bajo consumo. refrigeración de base eléctrica, y dispositivos de conversión de energía electrocatalítica tales como pilas de combustible.
El equipo demostró un marco teórico y mostró cómo la estabilidad y la estructura de un defecto puntual se altera bajo fuertes campos eléctricos. Tomaron un defecto común llamado vacante de oxígeno neutro:un lugar donde debería aparecer un átomo de oxígeno en la red, pero en su lugar quedan atrapados dos electrones. Sus resultados han cuantificado el comportamiento de polarización del material con este defecto, en un campo eléctrico.
"Las vacantes de oxígeno en particular son muy importantes en aplicaciones electrónicas y electroquímicas, "dice Yildiz, quien ocupa cargos conjuntos en los departamentos de Ciencia e Ingeniería Nuclear y Ciencia e Ingeniería de Materiales.
En muchas de estas aplicaciones, ella dice, Puede haber un gradiente de voltaje interno creado dentro del material de película delgada, y este gradiente de "potencial eléctrico" provoca fuertes campos eléctricos. Comprender los efectos de esos campos es esencial para el diseño de ciertos dispositivos nuevos.
"La mayor parte del trabajo en esta área es experimental, "Dice Yildiz." Toma una película delgada, lo pones en un campo eléctrico, y haces mediciones ". Pero en tales experimentos, los efectos del potencial eléctrico local y el campo eléctrico son enrevesados, lo que dificulta mucho la comprensión de los resultados. "Es imposible resolverlos entre sí, por lo que debe tener una teoría "para tener en cuenta los efectos, ella agrega.
Los investigadores ahora han ideado un nuevo marco teórico que les permite aislar el efecto del campo eléctrico del efecto del potencial eléctrico, y cuantificar ambos de forma independiente. Esto les permitió realizar predicciones muy concretas, diferentes a las producidas por la teoría clásica y debería permitir validar experimentalmente el nuevo modelo en el plazo de un año. Dice Yildiz.
Los hallazgos deberían ayudar a permitir el desarrollo de algunas aplicaciones potenciales importantes, ella dice. Uno está en un nuevo tipo de dispositivo de memoria de computadora conocido como memoria de conmutación resistiva, que proporciona velocidades de conmutación rápidas con muy poca energía. Estos dispositivos de memoria dependen de la presencia de defectos.
"La forma en que cambian su estado de resistencia [para registrar datos] depende del tipo de defecto, contenido, y distribución, ", dice." Para modelar el comportamiento del dispositivo, Debería poder modelar cómo los campos eléctricos intensos aplicados alteran la estructura del defecto, concentración, y distribución ". Eso es lo que permite este nuevo trabajo:" Si conoces cuantitativamente los efectos tanto del potencial como del campo, entonces puede diseñar sus condiciones operativas para beneficiarse de estos efectos ".
Comprender estos efectos también es importante para otras aplicaciones, como la división de moléculas de agua para producir hidrógeno en interfaces sólido-líquido, dispositivos electrónicos que se basan en interfaces óxido-óxido, u otros procesos electroquímicos que utilizan estos materiales como catalizadores, donde los defectos sirven como sitios que permiten las interacciones.
Los materiales que estudió el equipo pertenecen a una clase conocida como óxidos binarios de metales alcalinotérreos, cuyos componentes se encuentran "entre la clase de materiales más abundante en la Tierra, "Dice Yildiz." [Esta clase es] barata, abundante, y tiene propiedades ajustables, "lo que lo hace prometedor para muchas aplicaciones. Pero agrega que el enfoque teórico que adoptaron ahora se aplicará de manera mucho más amplia, a muchos otros tipos de materiales de óxido ya otros tipos de defectos dentro de ellos además de las vacantes de oxígeno neutro.
"Este trabajo establece un nuevo paradigma para el estudio de defectos en semiconductores, estableciendo las matemáticas necesarias para el cálculo de la energía de formación de defectos en cristales defectuosos estimulados eléctricamente, "dice Cesare Franchini, profesor asociado de física de materiales computacionales en la Universidad de Viena, que no estuvo involucrado en este trabajo. "Este trabajo amplía las teorías actuales que conectan la termodinámica con la polarización eléctrica, y será beneficioso para prácticamente todas las aplicaciones en las que los defectos (y su capacidad de sintonización por estímulos eléctricos) son una ventaja, incluida la catálisis, electrónica, y dispositivos electrocalóricos ".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
