Este diagrama mostra como uma tensão elétrica pode ser usada para modificar a concentração de oxigênio, e, portanto, a fase e a estrutura, de cobaltitos de estrôncio. O bombeamento de oxigênio para dentro e para fora transforma o material da forma de brownmillerita (à esquerda) para a forma de perovskita (à direita).
Dois pesquisadores do MIT desenvolveram um material de película fina cuja fase e propriedades elétricas podem ser alternadas entre metálicas e semicondutoras simplesmente aplicando uma pequena voltagem. O material então permanece em sua nova configuração até ser alternado de volta por outra voltagem. A descoberta pode abrir caminho para um novo tipo de chip de memória "não volátil" que retém informações quando a energia é desligada, e para conversão de energia e aplicações catalíticas.
As evidências, relatado no jornal Nano Letras em um artigo do estudante de graduação em ciência de materiais do MIT Qiyang Lu e do professor associado Bilge Yildiz, envolvem um material de filme fino chamado cobaltita de estrôncio, ou SrCoO x .
Usualmente, Yildiz diz, a fase estrutural de um material é controlada por sua composição, temperatura, e pressão. "Aqui pela primeira vez, " ela diz, "demonstramos que a polarização elétrica pode induzir uma transição de fase no material. E, de fato, conseguimos isso alterando o conteúdo de oxigênio no SrCoO x . "
"Tem duas estruturas diferentes que dependem de quantos átomos de oxigênio por unidade de célula contém, e essas duas estruturas têm propriedades bastante diferentes, "Lu explica.
Uma dessas configurações da estrutura molecular é chamada de perovskita, e a outra é chamada de brownmillerita. Quando mais oxigênio está presente, ele forma o fortemente fechado, estrutura cristalina em forma de gaiola de perovskita, ao passo que uma concentração mais baixa de oxigênio produz a estrutura mais aberta da brownmillerita.
As duas formas têm produtos químicos muito diferentes, elétrico, magnético, e propriedades físicas, e Lu e Yildiz descobriram que o material pode ser invertido entre as duas formas com a aplicação de uma quantidade muito pequena de voltagem - apenas 30 milivolts (0,03 volts). E, uma vez mudado, a nova configuração permanece estável até que seja invertida por uma segunda aplicação de tensão.
Os cobaltitos de estrôncio são apenas um exemplo de uma classe de materiais conhecidos como óxidos de metais de transição, que é considerado promissor para uma variedade de aplicações, incluindo eletrodos em células de combustível, membranas que permitem que o oxigênio passe para a separação do gás, e dispositivos eletrônicos, como memristors - uma forma não volátil, ultra rápido, e dispositivo de memória com eficiência energética. A capacidade de desencadear essa mudança de fase por meio do uso de apenas uma pequena voltagem poderia abrir muitos usos para esses materiais, dizem os pesquisadores.
Trabalhos anteriores com cobaltitos de estrôncio basearam-se em mudanças na concentração de oxigênio na atmosfera de gás circundante para controlar qual das duas formas o material tomaria, mas isso é inerentemente um processo muito mais lento e difícil de controlar, Lu diz. "Então, nossa ideia foi, não mude a atmosfera, basta aplicar uma tensão. "
"A tensão modifica a pressão efetiva de oxigênio que o material enfrenta, "Yildiz acrescenta. Para tornar isso possível, os pesquisadores depositaram uma película muito fina do material (a fase de brownmillerita) em um substrato, para o qual eles usaram zircônia estabilizada com ítrio.
Nessa configuração, a aplicação de uma voltagem leva os átomos de oxigênio ao material. Aplicar a tensão oposta tem o efeito reverso. Para observar e demonstrar que o material realmente passou por essa transição de fase quando a tensão foi aplicada, a equipe usou uma técnica chamada difração de raios-X in-situ no Centro de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT.
O princípio básico de alternar este material entre as duas fases, alterando a pressão do gás e a temperatura no ambiente, foi desenvolvido no ano passado por cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge. "Embora interessante, este não é um meio prático para controlar as propriedades do dispositivo em uso, "diz Yildiz. Com seu trabalho atual, os pesquisadores do MIT possibilitaram o controle das propriedades de fase e elétricas desta classe de materiais de forma prática, aplicando uma carga elétrica.
Além de dispositivos de memória, o material poderia, em última análise, encontrar aplicações em células de combustível e eletrodos para baterias de íon de lítio, Lu diz.
“Nosso trabalho tem contribuições fundamentais ao introduzir a polarização elétrica como forma de controlar a fase de um material ativo, e estabelecendo as bases científicas para esses novos dispositivos de processamento de energia e informação, "Yildiz acrescenta.
Em pesquisas em andamento, a equipe está trabalhando para entender melhor as propriedades eletrônicas do material em suas diferentes estruturas, e estender esta abordagem a outros óxidos de interesse para aplicações de memória e energia, em colaboração com o professor do MIT Harry Tuller.
José Santiso, líder da divisão de crescimento de nanomateriais do Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia em Barcelona, Espanha, que não estava envolvido nesta pesquisa, chama isso de "uma contribuição muito significativa" para o estudo desta interessante classe de materiais, e afirma que "abre caminho para a aplicação desses materiais tanto em dispositivos eletroquímicos de estado sólido para a conversão eficiente de energia ou armazenamento de oxigênio, bem como em possíveis aplicações em um novo tipo de dispositivos de memória. "
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.
