A capacidade dos materiais de mudança de fase de fazerem uma transição rápida e rápida entre as diferentes fases os tornou valiosos como uma fonte de baixa energia de memória não volátil ou “flash” e armazenamento de dados. Agora, uma nova classe inteira de materiais de mudança de fase foi descoberta por pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory e da University of California Berkeley que podem ser aplicados a tecnologias de memória de acesso aleatório de mudança de fase (PCM) e possivelmente também ao armazenamento óptico de dados. Os novos materiais de mudança de fase - ligas de nanocristais de um metal e semicondutor - são chamados de "BEANs, "para nanoestruturas de ligas eutéticas binárias.

“Mudanças de fase em BEANs, mudando-os de cristalino para amorfo e de volta para o estado cristalino, pode ser induzido em questão de nanossegundos por corrente elétrica, luz laser ou uma combinação de ambos, ”Diz Daryl Chrzan, um físico que possui nomeações conjuntas com a Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e com o Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UC Berkeley. “Trabalhar com nanopartículas de germânio e estanho incorporadas em sílica como nossos FEIJÕES iniciais, fomos capazes de estabilizar as fases sólida e amorfa e pudemos ajustar a cinética de alternar entre as duas simplesmente alterando a composição. ”

Chrzan é o autor correspondente em um artigo que relata os resultados desta pesquisa que foi publicado na revista NanoLetters intitulado "Embedded Binary Eutectic Alloy Nanostructures:A New Class of Phase Change Materials."

Os coautores do artigo com Chrzan foram Swanee Shin, Julian Guzman, Chun-Wei Yuan, Christopher Liao, Cosima Boswell-Koller, Peter Stone, Oscar Dubon, Andrew Minor, Masashi Watanabe, Jeffrey Beeman, Kin Yu, Joel Ager e Eugene Haller.

“O que mostramos é que nanoestruturas de ligas eutéticas binárias, como pontos quânticos e nanofios, podem servir como materiais de mudança de fase, ”Chrzan diz. “A chave para o comportamento que observamos é a incorporação de nanoestruturas em uma matriz de volumes em nanoescala. A presença desta interface nanoestrutura / matriz possibilita um rápido resfriamento que estabiliza a fase amorfa, e também nos permite ajustar a cinética de transformação do material de mudança de fase. ”

Uma liga eutética é um material metálico que funde na temperatura mais baixa possível para sua mistura de constituintes. O composto de germânio e estanho é uma liga eutética considerada pelos pesquisadores como um material de mudança de fase prototípico porque pode existir à temperatura ambiente em um estado cristalino estável ou em um estado amorfo metaestável. Chrzan e seus colegas descobriram que, quando os nanocristais de germânio e estanho foram incorporados à sílica amorfa, os nanocristais formaram uma nanoestrutura bilobada que era semicondutor semicondutor metálico e semicondutor cristalino.

“O resfriamento rápido após derretimento de laser pulsado estabiliza um metaestável, amorfo, estado de fase de composição mista à temperatura ambiente, enquanto o aquecimento moderado seguido de resfriamento mais lento retorna os nanocristais ao seu estado cristalino bilobado inicial, ”Chrzan diz. “A sílica atua como um tubo de ensaio pequeno e muito limpo que confina as nanoestruturas para que as propriedades da interface BEAN / sílica sejam capazes de ditar as propriedades únicas de mudança de fase.”

Embora eles ainda não tenham caracterizado diretamente as propriedades de transporte eletrônico das estruturas de BEAN bilobadas e amorfas, a partir de estudos em sistemas relacionados, Chrzan e seus colegas esperam que o transporte, bem como as propriedades ópticas dessas duas estruturas, sejam substancialmente diferentes e que essas diferenças sejam ajustáveis ​​por meio de alterações de composição.

“No estado de liga amorfo, esperamos que o BEAN exiba uma exibição normal, condutividade metálica, ”Chrzan diz. “No estado bilobado, o BEAN incluirá uma ou mais barreiras Schottky que podem ser feitas para funcionar como um diodo. Para fins de armazenamento de dados, a condução metálica pode significar um zero e uma barreira Schottky pode significar um. ”

Chrzan e seus colegas estão agora investigando se os BEANs podem sustentar repetidas mudanças de fase e se a alternância entre as estruturas bilobadas e amorfas pode ser incorporada à geometria do fio. Eles também desejam modelar o fluxo de energia no sistema e, em seguida, usar essa modelagem para adaptar os pulsos de luz / corrente para propriedades de mudança de fase ideais.

As caracterizações de microscopia eletrônica de transmissão in-situ das estruturas BEAN foram realizadas no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica do Berkeley Lab, um dos principais centros mundiais de microscopia eletrônica e microcharacterização.