Descubren un nuevo mecanismo que controla la conmutación resistiva en los materiales de Mott
07.11.2024
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Esquema de la configuración experimental. La película V2O3 está recubierta con electrodos de oro, lo que permite conducir una corriente a través del dispositivo mientras se adquieren simultáneamente imágenes XLD-PEEM. Imagen: Alessandra Milloch. |
- El proceso de conmutación resistiva en el material V2O3 está impulsado por los defectos topológicos de la nanotextura de la red subyacente.
- El descubrimiento de una relación íntima entre la topología del parámetro de orden reticular y el mecanismo de disparo en los dispositivos Mott puede afectar a la electrónica ultrarrápida.
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Madrid, 6 de noviembre, 2024. Los científicos han descubierto recientemente que el proceso de conmutación resistiva en el material paradigmático tipo Mott, el óxido de vanadio V2O3, está impulsado por defectos topológicos de la nanotextura de la red subyacente. Mediante la realización de Microscopía Electrónica de Fotoemisión (PEEM) basada en rayos X, un grupo de investigadores de la Università Cattolica del Sacro Cuore, los institutos de investigación IMDEA Nanociencia, KU Leuven, SISSA y la instalación Diamond Light Source, fotografiaron por primera vez la formación de un canal metálico nanométrico en un dispositivo basado en V2O3 en condiciones de funcionamiento. El descubrimiento de una relación íntima entre la topología del parámetro de orden reticular y el mecanismo de disparo en los dispositivos Mott puede afectar a la electrónica ultrarrápida, los dispositivos neuromórficos, las memorias resistivas y la computación inspirada en el cerebro.
El trabajo ha sido publicado en Nature Communications: https://doi.org/10.1038/s41467-024-53726-z
"La conmutación resistiva es el proceso fundamental que está en la base del cambio repentino de las propiedades eléctricas en los dispositivos de estado sólido bajo la acción de campos eléctricos intensos", explica Alessandra Milloch, de la Università Cattolica del Sacro Cuore. "A pesar de su relevancia tecnológica, se creía que este proceso era de naturaleza estocástica, impulsado por fluctuaciones locales e incontrolables. Decidimos profundizar e investigar la naturaleza real de este fenómeno en dispositivos planos constituidos por dos contactos metálicos depositados sobre una fina película de V2O3, que es uno de los ejemplos más célebres de aislantes tipo Mott".
"Los aisladores tipo Mott se diferencian fundamentalmente de los aislantes convencionales, ya que su baja conductividad está determinada por las fuertes interacciones entre los electrones que se mueven a través de la red", añade Ignacio Figueruelo, de IMDEA Nanociencia. "En esta clase de materiales, que comprenden muchos óxidos de metales de transición, un pequeño cambio de los parámetros externos, como el voltaje y la presión aplicados o la fotoexcitación de la luz, puede inducir un cambio dramático de las propiedades eléctricas y la liberación de un número de electrones conductores de aproximadamente uno por cada celda unitaria, que es muchos órdenes de magnitud mayor que lo que se puede lograr en los semiconductores convencionales por medio del dopaje. Esta no linealidad intrínseca desencadenó un gran interés para abordar el posible uso de estos materiales como bloques de construcción para una nueva familia de dispositivos, lo que ha llevado al desarrollo de un nuevo campo denominado Mottronics".
La Dra. Mariela Menghini, una de las coordinadoras en IMDEA Nanociencia, explica: "En experimentos anteriores descubrimos que el estado fundamental aislante de este material es inherentemente no homogéneo. La transición electrónica a baja temperatura va acompañada de una distorsión de la red, que puede tener lugar a lo largo de tres direcciones equivalentes. Entre las tres posibilidades, el sistema minimiza la energía formando una nanotextura espacial de dominios nanométricos rayados, cuyos límites siguen reglas matemáticas bien definidas. Cuando estas restricciones no pueden respetarse en algunos puntos de intersección peculiares, se forman defectos topológicos nanométricos. De hecho, es en estos puntos específicos donde se produce la conmutación de aislante a metal cuando se supera un umbral de tensión bien definido. La observación de este peculiar estado aislante nanotexturizado de Mott fue posible gracias a las muestras de V2O3 de alta calidad preparadas por el grupo del profesor Jean-Pierre Locquet en KU Leuven".
"Este descubrimiento requirió un experimento más allá del estado del arte que combina microscopía nanométrica, sensible a la nanotextura de la red, con la posibilidad de aplicar un voltaje in situ durante las mediciones", explica Claudio Giannetti, profesor de Física en la Università Cattolica del Sacro Cuore. "Realizamos este experimento en la instalación Diamond Light Source en el Reino Unido, donde fue posible tomar imágenes de la apertura de un canal metálico mientras se aplicaba un voltaje por encima del umbral a través del dispositivo. Este descubrimiento es importante porque arroja luz sobre el mecanismo detrás de la transformación de aislante a metal en estos materiales. Nuestros resultados experimentales están bien respaldados por un modelo teórico desarrollado por el Prof. Michele Fabrizio de SISSA. Ahora que sabemos que la transformación es provocada por defectos topológicos, podemos diseñar nuevos experimentos para identificar dichos defectos y controlar el proceso de conmutación con el objetivo de lograr un control completo del proceso y diseñar dispositivos que funcionen a una velocidad sin precedentes y con una disipación de energía extremadamente baja".
Referencia:
Milloch, A., Figueruelo-Campanero, I., Hsu, WF. et al. Mott resistive switching initiated by topological defects. Nat Commun 15, 9414 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53726-z
https://repositorio.imdeananociencia.org/handle/20.500.12614/3815
Contacto:
Mariela Menghini
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Transport in Quantum Materials Group, IMDEA Nanociencia, Madrid, Spain
https://nanociencia.imdea.org/transport-in-quantum-materials/home
Claudio Giannetti
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Fuente: IMDEA Nanociencia.