La capacidad de los materiales de cambio de fase para realizar una transición rápida y rápida entre las diferentes fases los ha hecho valiosos como una fuente de bajo consumo de memoria no volátil o "flash" y almacenamiento de datos. Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California Berkeley han descubierto una clase completamente nueva de materiales de cambio de fase que podrían aplicarse a las tecnologías de memoria de acceso aleatorio (PCM) de cambio de fase y posiblemente también al almacenamiento de datos ópticos. Los nuevos materiales de cambio de fase (aleaciones de nanocristales de un metal y semiconductores) se denominan "BEAN, "para nanoestructuras binarias de aleación eutéctica.

"Cambios de fase en BEAN, cambiándolos de cristalino a amorfo y de nuevo a estado cristalino, puede ser inducida en cuestión de nanosegundos por corriente eléctrica, luz láser o una combinación de ambos, "Dice Daryl Chrzan, un físico que tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley. “Trabajando con nanopartículas de germanio estaño incrustadas en sílice como nuestros BEAN iniciales, pudimos estabilizar tanto la fase sólida como la amorfa y pudimos ajustar la cinética de cambio entre las dos simplemente alterando la composición ”.

Chrzan es el autor correspondiente de un artículo que informa los resultados de esta investigación y que ha sido publicado en la revista. NanoLetras titulado "Nanoestructuras de aleación eutéctica binaria integrada:una nueva clase de materiales de cambio de fase".

Los coautores del artículo con Chrzan fueron Swanee Shin, Julián Guzmán, Chun-Wei Yuan, Christopher Liao, Cosima Boswell-Koller, Peter Stone, Oscar Dubon, Andrew Minor, Masashi Watanabe, Jeffrey Beeman, Kin Yu, Joel Ager y Eugene Haller.

"Lo que hemos demostrado es que las nanoestructuras de aleación eutéctica binaria, como puntos cuánticos y nanocables, pueden servir como materiales de cambio de fase, ”, Dice Chrzan. “La clave del comportamiento que observamos es la incrustación de nanoestructuras dentro de una matriz de volúmenes a nanoescala. La presencia de esta interfaz nanoestructura / matriz posibilita un enfriamiento rápido que estabiliza la fase amorfa, y también nos permite ajustar la cinética de transformación del material de cambio de fase ".

Una aleación eutéctica es un material metálico que se funde a la temperatura más baja posible para su mezcla de componentes. El compuesto de germanio estaño es una aleación eutéctica que ha sido considerada por los investigadores como un material prototípico de cambio de fase porque puede existir a temperatura ambiente en un estado cristalino estable o en un estado amorfo metaestable. Chrzan y sus colegas descubrieron que cuando los nanocristales de germanio y estaño se incrustaban en sílice amorfa, los nanocristales formaban una nanoestructura bilobulada que era semiconductora semiconductora semicristalina y semicristalina.

"El enfriamiento rápido que sigue a la fusión por láser pulsado estabiliza un metaestable, amorfo, estado de fase de composición mixta a temperatura ambiente, mientras que el calentamiento moderado seguido de un enfriamiento más lento devuelve los nanocristales a su estado cristalino bilobulado inicial, ”, Dice Chrzan. "La sílice actúa como un tubo de ensayo pequeño y muy limpio que confina las nanoestructuras de modo que las propiedades de la interfaz BEAN / sílice pueden dictar las propiedades únicas de cambio de fase".

Si bien aún no han caracterizado directamente las propiedades de transporte electrónico de las estructuras BEAN bilobuladas y amorfas, A partir de estudios sobre sistemas relacionados, Chrzan y sus colegas esperan que el transporte, así como las propiedades ópticas de estas dos estructuras, sean sustancialmente diferentes y que estas diferencias se puedan sintonizar mediante alteraciones de la composición.

"En el estado de aleación amorfa, esperamos que BEAN se muestre normal, conductividad metálica, ”, Dice Chrzan. "En el estado bilobulado, el BEAN incluirá una o más barreras Schottky que se pueden hacer para funcionar como un diodo. Para fines de almacenamiento de datos, la conducción metálica podría significar un cero y una barrera Schottky podría significar uno ”.

Chrzan y sus colegas ahora están investigando si los BEAN pueden soportar cambios de fase repetidos y si el cambio de ida y vuelta entre las estructuras bilobuladas y amorfas se puede incorporar en una geometría de alambre. También quieren modelar el flujo de energía en el sistema y luego usar este modelado para adaptar los pulsos de luz / corriente para obtener propiedades óptimas de cambio de fase.

Las caracterizaciones por microscopía electrónica de transmisión in situ de las estructuras BEAN se llevaron a cabo en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Berkeley Lab, uno de los principales centros de microscopía electrónica y microcaracterización del mundo.