Neste diagrama, a estrutura atômica de um cristal de óxido de bário é retratada, com átomos de oxigênio e bário representados por esferas vermelhas e cinza. Uma vaga de oxigênio neutro, um lugar onde um átomo de oxigênio deve aparecer na rede, mas é substituído por dois elétrons, é representado pela forma amarela, que representa a densidade de carga desses elétrons. À esquerda, o cristal é visto sem campo elétrico aplicado, e à direita, com um campo aplicado de 21,8 megavolts por centímetro. As distorções da rede revelam os efeitos daquele campo elétrico aplicado. Crédito:Felice Frankel
Às vezes, coisas que são tecnicamente defeitos, como imperfeições na estrutura de cristal de um material, pode realmente produzir mudanças nas propriedades que abrem novos tipos de aplicativos úteis. Uma nova pesquisa de uma equipe do MIT mostra que tais imperfeições em uma família de materiais conhecidos como óxidos de metal isolante podem ser a chave para seu desempenho em uma variedade de aplicações de alta tecnologia, como chips de memória não volátil e tecnologias de conversão de energia.
Os resultados são relatados esta semana no jornal Cartas de revisão física , em um artigo do Professor Associado do MIT Bilge Yildiz, Professor e reitor associado Krystyn Van Vliet, e o ex-pós-doutorado Mostafa Youssef.
Esses materiais de óxido de metal foram investigados por muitos pesquisadores, Yildiz diz, e "suas propriedades são altamente governadas pelo número e tipo de defeitos que estão presentes." Quando sujeito a fortes forças motrizes, como fortes campos elétricos, "o comportamento de tais defeitos não foi bem compreendido, " ela diz.
Os pesquisadores têm uma compreensão teórica bem estabelecida de como as versões perfeitamente estruturadas desses óxidos de metal isolante funcionam sob uma variedade de condições, como em campos elétricos fortes, mas não havia tal teoria para descrever os materiais quando eles contêm tipos comuns de defeitos, de acordo com Yildiz. Compreender esses efeitos quantitativamente é importante para desenvolver esta família promissora de materiais para aplicações potenciais, incluindo novos tipos de memória de computador de baixa energia e dispositivos de processamento, refrigeração com base elétrica, e dispositivos de conversão de energia eletrocatalíticos, como células de combustível.
A equipe demonstrou um arcabouço teórico e mostrou como a estabilidade e a estrutura de um defeito pontual são alteradas sob fortes campos elétricos. Eles pegaram um defeito comum chamado vacância neutra de oxigênio - um lugar onde um átomo de oxigênio deveria aparecer na rede, mas em vez disso dois elétrons estão presos. Seus resultados quantificaram o comportamento de polarização do material com este defeito, em um campo elétrico.
"As vagas de oxigênio em particular são muito importantes em aplicações eletrônicas e eletroquímicas, "diz Yildiz, que detém funções conjuntas nos departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear e Ciência e Engenharia de Materiais.
Em muitos desses aplicativos, ela diz, pode haver um gradiente de voltagem interno criado dentro do material de película fina, e esse gradiente de "potencial elétrico" causa fortes campos elétricos. Compreender os efeitos desses campos é essencial para o design de certos novos dispositivos.
“A maior parte do trabalho nesta área é experimental, "Diz Yildiz." Você pega uma película fina, você o coloca em um campo elétrico, e você faz medições. "Mas, em tais experimentos, os efeitos do potencial elétrico local e do campo elétrico são complicados, tornando muito difícil entender os resultados. "É impossível resolvê-los um do outro, então você precisa ter uma teoria "para explicar os efeitos, Ela adiciona.
Os pesquisadores desenvolveram agora um novo quadro teórico que lhes permite isolar o efeito do campo elétrico do efeito do potencial elétrico, e quantificar ambos independentemente. Isso permitiu que eles fizessem previsões muito específicas que são diferentes das produzidas pela teoria clássica e deveria permitir validar o novo modelo experimentalmente dentro de um ano, Yildiz diz.
Os resultados devem ajudar a permitir o desenvolvimento de algumas aplicações potenciais importantes, ela diz. Um está em um novo tipo de dispositivo de memória de computador conhecido como memória de comutação resistiva, que fornece velocidades de comutação rápidas usando muito pouca energia. Esses dispositivos de memória dependem da presença de defeitos.
"A maneira como eles mudam seu estado de resistência [para registrar os dados] depende do tipo de defeito, contente, e distribuição, "diz ela." Para modelar o comportamento do dispositivo, você deve ser capaz de modelar como os fortes campos elétricos aplicados alteram a estrutura do defeito, concentração, e distribuição. "É isso que este novo trabalho permite:" Se você conhece quantitativamente os efeitos do potencial e do campo, então você pode projetar suas condições operacionais para se beneficiar desses efeitos. "
Compreender esses efeitos também é importante para outras aplicações, como a divisão de moléculas de água para produzir hidrogênio em interfaces sólido-líquido, dispositivos eletrônicos que dependem de interfaces óxido-óxido, ou outros processos eletroquímicos usando esses materiais como catalisadores, onde os defeitos servem como locais que permitem as interações.
Os materiais que a equipe estudou pertencem a uma classe conhecida como óxidos binários de metais alcalino-terrosos, cujos constituintes estão "entre as classes de materiais mais abundantes na Terra, "Diz Yildiz." [Esta aula é] barata, abundante, e tem propriedades ajustáveis, "tornando-se promissor para muitas aplicações. Mas ela acrescenta que a abordagem teórica que eles adotaram agora será aplicada de forma muito mais ampla, a muitos outros tipos de materiais óxidos e a outros tipos de defeitos dentro deles, além das lacunas de oxigênio neutro.
“Este trabalho estabelece um novo paradigma para o estudo de defeitos em semicondutores, estabelecendo a matemática necessária para o cálculo da energia de formação de defeito em cristais defeituosos estimulados eletricamente, "diz Cesare Franchini, professor associado de física de materiais computacionais da Universidade de Viena, que não estava envolvido neste trabalho. "Este trabalho estende as teorias atuais que conectam a termodinâmica com a polarização elétrica, e será benéfico para praticamente todas as aplicações em que os defeitos (e sua sintonia por estímulos elétricos) são um ativo, incluindo catálise, eletrônicos, e dispositivos eletrocalóricos. "
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
