Pesquisadores da Northwestern Engineering desenvolveram uma nova estratégia de design para identificar novos materiais exibindo uma transição metal-isolador (MIT), uma rara classe de materiais categorizados por sua capacidade de alternar reversivelmente entre os estados eletricamente condutores e isolantes.

O novo método pode impulsionar o projeto futuro e entrega de microeletrônica mais rápida com mais recursos de armazenamento, bem como plataformas de materiais quânticos para a eletrônica do futuro.

"Nossa abordagem usa a substituição de ânions em escala atômica e o reconhecimento das principais propriedades do MIT para identificar materiais MIT heteroaniônicos em potencial, que não foram amplamente considerados até este ponto, "disse James Rondinelli, professor associado de ciência e engenharia de materiais e o professor Morris E. Fine Junior de Materiais e Manufatura na McCormick School of Engineering, quem liderou a equipe. "Esperamos, ao formular essas relações eletrônicas de estrutura-propriedade, novas transições em materiais quânticos podem ser projetadas no futuro. "

Um artigo descrevendo o trabalho, intitulado "Projeto de Lua Heteroaniônica Exibindo uma Transição de Isolador de Metal de Peierls, "foi publicado no dia 3 de dezembro na revista Cartas de revisão física . Rondinelli foi co-autor do artigo junto com Danilo Puggioni, professor assistente de pesquisa no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais.

Usando simulações de computador de mecânica quântica no Quest High Performance Computing Cluster da Northwestern, Rondinelli e pesquisadores projetaram a estrutura cristalina de picocala do novo material, chamado oxinitreto de molibdênio (MoON), para hospedar a transição de fase. Os pesquisadores descobriram que o MIT ocorreu perto de 600 graus Celsius, revelando seu potencial para aplicações em sensores de alta temperatura e eletrônica de potência.

O grupo observou que vários parâmetros de projeto influenciaram a transição de fase de MoON. A inclusão de múltiplos ânions no material - neste caso, íons de oxigênio e nitrogênio carregados negativamente - ativaram a transição de fase devido a configurações eletrônicas específicas relacionadas à orientação espacial de orbitais eletrônicos, apoiando descobertas anteriores em outros materiais binários do MIT. Além disso, A estrutura de cristal rutilo flexível do MoON proporcionou reversibilidade entre os estados eletricamente condutores e isolantes.

As descobertas oferecem uma visão de como mudanças sutis na nanoescala podem ser usadas para controlar o comportamento macroscópico - como a condutividade - em materiais.

"Um trabalho substancial foi feito durante a última década para entender os materiais do MIT e descobrir novos; no entanto, menos de 70 compostos únicos são atualmente conhecidos que exibem esta transição térmica, "Rondinelli disse." Incorporamos as principais características dos materiais do MIT, incluindo características estruturais específicas de picocala, bem como a configuração crucial de elétrons d1, em nosso design. Nosso projeto alavanca uma maneira que nós e outros podemos usar os principais conceitos de design de primeiro princípio para expandir o espaço da fase do MIT e buscar novos materiais do MIT com eficácia. "

Os cientistas esperam, formulando essas relações eletrônicas de estrutura-propriedade, novas transições em materiais quânticos podem ser projetadas no futuro. Esses compostos são úteis como camada ativa para transistores ou em aplicações de memória.

"Os materiais do MIT representam uma classe de transições de fase que podem permitir avanços no processamento e armazenamento de informações além do dimensionamento de semicondutor de óxido de metal complementar convencional em microeletrônica, "Rondinelli disse." Isso se traduz em dispositivos mais rápidos com mais recursos de armazenamento. Além disso, Os materiais do MIT podem permitir sistemas microeletrônicos de baixa potência, o que significa que você precisaria carregar seu dispositivo com menos frequência, pois dura mais porque os componentes exigem menos energia. "