Los investigadores de Northwestern Engineering han desarrollado una estrategia de diseño novedosa para identificar nuevos materiales que exhiben una transición metal-aislante (MIT), una clase rara de materiales categorizados por su capacidad para cambiar reversiblemente entre estados eléctricamente conductores y aislantes.

El nuevo método podría impulsar el diseño futuro y la entrega de microelectrónica más rápida con más capacidades de almacenamiento, así como plataformas de materiales cuánticos para la electrónica del futuro.

"Nuestro enfoque utiliza la sustitución de aniones a escala atómica y el reconocimiento de propiedades clave del MIT para identificar posibles materiales heteroaniónicos del MIT, que no han sido ampliamente considerados hasta este momento, "dijo James Rondinelli, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales y profesor junior Morris E. Fine en materiales y fabricación en la Escuela de Ingeniería McCormick, quien lideró el equipo. "Esperamos que al formular estas relaciones estructura-propiedad electrónica, en el futuro se pueden diseñar nuevas transiciones en materiales cuánticos ".

Un documento que describe el trabajo titulado "Diseño de LUNA heteroaniónica que exhibe una transición de aislante metálico de Peierls, "fue publicado el 3 de diciembre en la revista Cartas de revisión física . Rondinelli fue el coautor correspondiente del artículo junto con Danilo Puggioni, profesor asistente de investigación en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Usando simulaciones de computadora de mecánica cuántica en el Clúster de Computación de Alto Rendimiento Quest de Northwestern, Rondinelli e investigadores diseñaron la estructura cristalina a picosescala del nuevo material, llamado oxinitruro de molibdeno (MoON), para albergar la transición de fase. Los investigadores encontraron que el MIT ocurrió cerca de 600 grados Celsius, revelando su potencial para aplicaciones en sensores de alta temperatura y electrónica de potencia.

El grupo notó que múltiples parámetros de diseño influyeron en la transición de fase de MoON. La inclusión de múltiples aniones en el material, en este caso, iones de oxígeno y nitrógeno cargados negativamente:activaron la transición de fase debido a configuraciones electrónicas específicas relacionadas con la orientación espacial de los orbitales electrónicos, apoyando hallazgos previos en otros materiales binarios del MIT. Además, La estructura de cristal de rutilo flexible de MoON proporcionó reversibilidad entre los estados eléctricamente conductores y aislantes.

Los hallazgos ofrecen información sobre cómo los cambios sutiles en la nanoescala se pueden utilizar para controlar el comportamiento macroscópico, como la conductividad, en los materiales.

"Se ha realizado un trabajo sustancial durante la última década para comprender los materiales del MIT y descubrir otros nuevos; sin embargo, Actualmente se conocen menos de 70 compuestos únicos que exhiben esta transición térmica, ", Dijo Rondinelli." Incorporamos las características clave de los materiales del MIT, incluyendo características estructurales particulares de picosescala, así como la configuración de electrones d1 crucial, en nuestro diseño. Nuestro proyecto aprovecha una forma en que nosotros y otros podemos utilizar conceptos clave de diseño de primer principio para expandir el espacio de fase del MIT y buscar de manera efectiva nuevos materiales del MIT ".

Los científicos esperan que al formular estas relaciones estructura-propiedad electrónica, En el futuro se pueden diseñar nuevas transiciones en materiales cuánticos. Estos compuestos son útiles como capa activa para transistores o en aplicaciones de memoria.

"Los materiales MIT representan una clase de transiciones de fase que pueden permitir avances en el procesamiento y almacenamiento de información más allá del escalado de semiconductores de óxido metálico complementario convencional en microelectrónica, ", Dijo Rondinelli." Esto se traduce en dispositivos más rápidos con más capacidades de almacenamiento. Además, Los materiales del MIT podrían permitir sistemas microelectrónicos de baja potencia, lo que significa que necesitaría cargar su dispositivo con menos frecuencia, ya que dura más porque los componentes requieren menos energía ".