Delftse ontdekking opent de deur naar nieuwe elektronica

Nieuws - 28 december 2016

Een groep Europese wetenschappers onder leiding van onderzoekers van de TU Delft heeft ontdekt hoe faseovergangen ontstaan in nieuwe materialen genaamd ‘nikkelaten’. Door de ontdekking hebben we een betere begrip van de werking van deze materialen, die mogelijk kunnen worden gebruikt in toekomstige elektronica.

Heb je ooit water gekookt in een pot? Dan zul je waarschijnlijk hebben gezien dat de bellen die verraden dat het water kookt als eerst rond de randen verschijnen. Faseovergangen (in dit geval van vloeibaar naar gas) beginnen altijd op plaatsen waar de omstandigheden het meest gunstig zijn. Die plaatsen worden ook wel ‘groeikernen’ genoemd. In het voorbeeld hierboven zijn de groeikernen de randen van de pot, wat goed te zien is met het blote oog. Maar hoe het ontstaan van groeikernen er op nanoschaal uitziet, was tot nu toe onbekend.

Strepen ontstaan
Giordano Mattoni, een promovendus aan de TU Delft, leidde voor dit onderzoek een samenwerkingsverband van wetenschappers uit vijf verschillende Europese instellingen. De wetenschappers hebben fundamenteel onderzoek gedaan naar hoe faseovergangen zich ontwikkelen in een nieuw type materiaal, namelijk metaaloxides genaamd 'nikkelaten’. In het specifieke type nikkelaat dat Mattoni en zijn collega’s hebben onderzocht, is de faseovergang tweeledig. Wanneer de temperatuur verandert, veranderen zowel de elektronische als de magnetische eigenschappen van het materiaal.

Het feit dat de faseovergang in nikkelaat tweeledig is, was al bekend. Maar tot nu toe was het onduidelijk hoe de overgang precies optreedt en welke factoren op de nanoschaal invloed hebben op het proces. Mattoni en zijn collega’s gebruikten precies afgestelde röntgenstraling als een vergrootglas voor hun microscopie, en konden zo de overgang van de metalen naar de isolerende toestand in real time bekijken. Ze ontdekten dat, wanneer het materiaal wordt afgekoeld, er isolerende nano-domeinen beginnen te verschijnen, totdat het materiaal volledig bedekt is met isolerende streepjes. 'Zonder onze hoge-resolutie microscopietechniek zou het onmogelijk zijn geweest om deze domeinen te zien’, zegt Mattoni.

(Figuur 1: Temperatuurevolutie van isolerende domeinen tijdens de overgang van metaalachtig naar isolerend. Tijdens elke thermische cyclus ontstaan en groeien de isolerende domeinen bij het koelen, terwijl ze geleidelijk verdwijnen bij opwarming. Schaal: 1mm)

Voor hun onderzoek deponeerden Mattoni en hun collega’s een dunne film nikkelaat op een substraat. De manier waarop het materiaal van de metallische naar de isolerende fase overgaat, blijkt verband te houden met de vorm van het substraatoppervlak, dat in dit geval leek op een rijstterras. Als het oppervlak bijvoorbeeld vierkante gaten had gehad, zouden de domeinen de vorm van vierkanten hebben aangenomen, weten de wetenschappers nu. 'En omdat we het substraatoppervlak kunnen vormen, kunnen we de vorm van de isolerende domeinen beïnvloeden', zegt Mattoni.

Mattoni gaat verder onderzoek doen waarbij hij een laser wil gebruiken om het materiaal te dwingen om snel van de ene naar de andere fase over te gaan. Het uiteindelijke idee is om nanostructuren te creëren waarin zowel magnetisme als elektrische geleiding bijna onmiddellijk kan worden in- of uitgeschakeld. Potentiële toekomstige elektronica zouden structuren gemaakt van nikkelaat bijvoorbeeld kunnen gebruiken als ultrasnelle, met licht bestuurbare transistors. Op de lange termijn kan deze ontdekking zelfs leiden tot elektronica die de neurale netwerken in het menselijk brein nabootsen.

Temperature evolution of insulating domains across the metal-insulator transition

‘Striped nanoscale phase separation at the metal–insulator transition of heteroepitaxial nickelates' door G. Mattoni et al. is op 2 november 2016 gepubliceerd in Nature Communications.

Striped nanoscale phase separation at the metal–insulator transition of heteroepitaxial nickelates' door G. Mattoni et al. is op 2 november 2016 gepubliceerd in Nature Communications.