Einschluss, das Einschränken von Materialien innerhalb einer Grenze, kann die Eigenschaften eines Materials und die Bewegung von Molekülen durch es hindurch verändern.
„Die Untersuchung auf dieser einzigartigen Längenskala ermöglichte es uns, wirklich interessante konstruktive Interferenzphänomene zu sehen, die auf Quanteninterferenzen hinweisen, und gleichzeitig neue Informationen über die Wechselwirkung von Elektronen und Ionen zu gewinnen“, sagt der Forscher Frank Barrows.
Im Fall von Titandioxid verursachte es, dass Elektronen in einem einzigartigen Muster miteinander interferierten, was die Leitfähigkeit des Oxids oder den Grad, in dem es Elektrizität leitete, erhöhte. Dies alles geschah auf der Mesoskala, einer Skala, auf der Wissenschaftler sowohl Quanteneffekte als auch die Bewegung von Elektronen und Molekülen sehen können.
Insgesamt bietet diese Arbeit Wissenschaftlern mehr Einblicke in das Verhalten von Atomen, Elektronen und anderen Teilchen auf Quantenebene. Solche Informationen könnten bei der Entwicklung neuer Materialien helfen, die Informationen verarbeiten können und in anderen elektronischen Anwendungen nützlich sein könnten.
„Was diese Arbeit wirklich auszeichnete, war die Größe des von uns untersuchten Maßstabs“, sagt Barrows neue Informationen über die Wechselwirkung von Elektronen und Ionen gewinnen.“
„Wenn ein elektrischer Strom an ein Oxid wie Titandioxid angelegt wird, fließen normalerweise Elektronen in einer einfachen Wellenform durch das Material. Gleichzeitig bewegen sich auch Ionen – oder geladene Teilchen – um. Aus diesen Prozessen resultieren die elektronischen Transporteigenschaften des Materials wie Leitfähigkeit und Widerstand, die beim Design der Elektronik der nächsten Generation ausgenutzt werden.
"In unserer Studie haben wir versucht zu verstehen, wie wir Materialeigenschaften ändern können, indem wir die Geometrie oder Form des Films einschränken“, sagt die Forscherin Charudatta Phatak.
Zunächst erstellten die Forscher Filme aus Titandioxid und entwickelten dann ein Muster darauf. Im Muster waren Löcher, die nur 10 zu 20Nanometer auseinander. Das Hinzufügen des geometrischen Musters veränderte die Bewegung von Elektronen auf die gleiche Weise, wie das Werfen von Steinen in ein Gewässer die Wellen verändert, die sich darin kräuseln. Im Fall von Titandioxid verursachte das Muster eine gegenseitige Interferenz von Elektronenwellen, was dazu führte, dass das Oxid mehr Elektrizität leitete.
"Das Interferenzmuster hielt im Wesentlichen den Sauerstoff oder die Ionen fest, die sich normalerweise in Materialien wie Titandioxid bewegen würden. Und wir fanden, dass es wichtig oder notwendig war, diese an Ort und Stelle zu halten, um eine konstruktive Interferenz dieser Wellen zu erzielen“, sagte Phatak.
Die Forscher untersuchten die Leitfähigkeit und andere Eigenschaften mit zwei Techniken: Elektronenholographie und Elektronenenergieverlustspektroskopie. Zu diesem Zweck nutzten sie Ressourcen des Argonnes Center for Nanoscale Materials (NJC), Eine DOE Office of Science User Facility, um ihre Proben herzustellen und einige der Messungen durchzuführen.
"Wir hätten dieses einzigartige Interferenzmuster nicht sehen können, wenn wir nicht in der Lage gewesen wären, genug dieser Löcher in einem Muster zu erzeugen, was sehr schwierig ist“, sagte Barrows."Know-how und Ressourcen bei der NJC und die Abteilung für Materialwissenschaften von Argonne haben sich als entscheidend erwiesen, um uns dabei zu helfen, dieses aufkommende Verhalten zu beobachten.“
Wenn Forscher in Zukunft besser verstehen können, was zur Erhöhung der Leitfähigkeit geführt hat, könnten sie möglicherweise Wege finden, elektrische oder optische Eigenschaften zu kontrollieren und diese Informationen für die Quanteninformationsverarbeitung zu nutzen. Die Erkenntnisse könnten auch dazu dienen, unser Verständnis von Materialien zu erweitern, die Widerstände schalten können. Der Widerstand misst, wie sehr ein Material dem Elektronenfluss in einem elektrischen Strom widersteht.
"Widerstandsschaltende Materialien sind interessant, weil sie Informationsträger sein können — ein Widerstandszustand kann 0 und das andere kann sein 1“, sagte Phatak."Was wir getan haben, kann uns einen besseren Einblick geben, wie wir diese Eigenschaften durch geometrische Beschränkungen steuern können.“
Ihr Papier mit dem Titel "Einschlusseffekte auf der Mesoskala und auftretende Quanteninterferenzen in Titandioxid-Antidot-Dünnschichten" wird veröffentlicht in ASCNano.