Dos investigadores del MIT han desarrollado un material de película delgada cuya fase y propiedades eléctricas se pueden cambiar entre metálicas y semiconductoras simplemente aplicando un pequeño voltaje. Luego, el material permanece en su nueva configuración hasta que se vuelve a cambiar por otro voltaje. El descubrimiento podría allanar el camino para un nuevo tipo de chip de memoria de computadora "no volátil" que retiene información cuando se apaga la energía. y para conversión de energía y aplicaciones catalíticas.

Los resultados, reportado en la revista Nano letras en un artículo del estudiante graduado de ciencia de materiales del MIT Qiyang Lu y el profesor asociado Bilge Yildiz, involucran un material de película delgada llamado cobaltito de estroncio, o SrCoO _X .

Generalmente, Yildiz dice:la fase estructural de un material está controlada por su composición, temperatura, y presión. "Aquí por primera vez, " ella dice, "Demostramos que la polarización eléctrica puede inducir una transición de fase en el material. Y de hecho lo logramos cambiando el contenido de oxígeno en SrCoO _X . "

"Tiene dos estructuras diferentes que dependen de la cantidad de átomos de oxígeno por unidad de celda que contenga, y estas dos estructuras tienen propiedades bastante diferentes, "Lu explica.

Una de estas configuraciones de la estructura molecular se llama perovskita, y el otro se llama brownmillerita. Cuando hay más oxígeno presente, forma el cerrado herméticamente, estructura cristalina en forma de jaula de perovskita, mientras que una menor concentración de oxígeno produce la estructura más abierta de brownmillerita.

Las dos formas tienen sustancias químicas muy diferentes, eléctrico, magnético, y propiedades físicas, y Lu y Yildiz descubrieron que el material se puede voltear entre las dos formas con la aplicación de una cantidad muy pequeña de voltaje, solo 30 milivoltios (0.03 voltios). Y, una vez cambiado, la nueva configuración permanece estable hasta que se invierte con una segunda aplicación de voltaje.

Las cobaltitas de estroncio son solo un ejemplo de una clase de materiales conocidos como óxidos de metales de transición, que se considera prometedor para una variedad de aplicaciones, incluidos electrodos en pilas de combustible, membranas que permiten el paso del oxígeno para la separación de gases, y dispositivos electrónicos como memristores, una forma de no volátiles, ultrarrápido y dispositivo de memoria energéticamente eficiente. La capacidad de desencadenar un cambio de fase de este tipo mediante el uso de solo un voltaje minúsculo podría abrir muchos usos para estos materiales, dicen los investigadores.

El trabajo anterior con cobaltitos de estroncio se basó en cambios en la concentración de oxígeno en la atmósfera de gas circundante para controlar cuál de las dos formas tomaría el material, pero ese es inherentemente un proceso mucho más lento y más difícil de controlar, Dice Lu. "Así que nuestra idea fue, no cambies la atmósfera, sólo aplique un voltaje ".

"El voltaje modifica la presión de oxígeno efectiva a la que se enfrenta el material, "Yildiz agrega. Para hacerlo posible, los investigadores depositaron una película muy fina del material (la fase de brownmillerita) sobre un sustrato, para lo cual utilizaron circonio estabilizado con itrio.

En esa configuración, la aplicación de un voltaje impulsa átomos de oxígeno al material. Aplicar el voltaje opuesto tiene el efecto inverso. Para observar y demostrar que el material realmente pasó por esta transición de fase cuando se aplicó el voltaje, el equipo utilizó una técnica llamada difracción de rayos X in situ en el Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.

El principio básico de cambiar este material entre las dos fases mediante la alteración de la presión y la temperatura del gas en el medio ambiente fue desarrollado durante el último año por científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. "Si bien es interesante, este no es un medio práctico para controlar las propiedades del dispositivo en uso, "dice Yildiz. Con su trabajo actual, los investigadores del MIT han permitido controlar la fase y las propiedades eléctricas de esta clase de materiales de forma práctica, aplicando una carga eléctrica.

Además de los dispositivos de memoria, el material podría finalmente encontrar aplicaciones en celdas de combustible y electrodos para baterías de iones de litio, Dice Lu.

"Nuestro trabajo tiene contribuciones fundamentales al introducir polarización eléctrica como una forma de controlar la fase de un material activo, y sentando las bases científicas básicas para estos nuevos dispositivos de procesamiento de energía e información, "Agrega Yildiz.

En la investigación en curso, el equipo está trabajando para comprender mejor las propiedades electrónicas del material en sus diferentes estructuras, y extender este enfoque a otros óxidos de interés para aplicaciones de memoria y energía, en colaboración con el profesor del MIT Harry Tuller.

José Santiso, el líder de la división de crecimiento de nanomateriales del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología de Barcelona, España, que no participó en esta investigación, lo llama "una contribución muy significativa" al estudio de esta interesante clase de materiales, y dice "allana el camino para la aplicación de estos materiales tanto en dispositivos electroquímicos de estado sólido para la conversión eficiente del almacenamiento de energía o de oxígeno, así como en posibles aplicaciones en un nuevo tipo de dispositivos de memoria ".

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.