Nuova fase di nichelato dimostra proprietà elettroniche uniche

Gli scienziati stanno continuamente lavorando per creare nuovi materiali con proprietà interessanti. Un'area di focus sono gli ossidi di metalli di transizione (TMO), che hanno comportamenti diversi a seconda della loro struttura e degli elementi che contengono. Cambiando questi fattori, i ricercatori possono realizzare materiali con varie Proprietà Elettroniche. Questi cambiamenti possono portare a effetti come la Superconduttività, dove i materiali possono condurre elettricità senza resistenza a temperature molto basse.

Gli ossidi di nichel, una parte significativa di questa ricerca, hanno una vasta gamma di strutture e caratteristiche. I nichelati delle terre rare, conosciuti come RNiO, mostrano molte transizioni interessanti, come il passaggio da metalli a isolanti. Modificando la composizione di questi materiali, gli scienziati possono creare nuove fasi con proprietà uniche.

#Ossidi di Nichel e le Loro Proprietà

I nichelati hanno varie strutture e possono comportarsi in modo diverso a seconda del loro assetto. Ad esempio, i nichelati delle terre rare sono composti da un atomo di nichel circondato da ossigeno e un elemento delle terre rare. Questi nichelati presentano una ricca varietà di transizioni di fase in base alla loro composizione.

Quando i ricercatori cambiano il contenuto di ossigeno o altri elementi, possono creare materiali che agiscono come isolanti o conduttori, il che può essere utile in varie applicazioni, tra cui elettronica e stoccaggio di energia. I nichelati possono anche essere fatti per mostrare superconduttività attraverso un processo noto come hole-doping.

#Creazione di Nuovi Materiali

Uno dei metodi più recenti per produrre nuovi nichelati coinvolge una tecnica chiamata riduzione topochimica. Questo metodo consente agli scienziati di rimuovere ossigeno da un materiale nichelato, creando una nuova fase con proprietà uniche.

In un recente studio, i ricercatori hanno ridotto con successo un nichelato noto come SmNiO per creare un nuovo materiale identificato come Sm Ni O. Questa nuova fase mostra strutture uniche e comportamenti elettronici che non erano accessibili nel materiale originale. Il processo prevede l'uso di reazioni chimiche che consentono di rimuovere o aggiungere ossigeno nella struttura.

#La Nuova Fase di Nichelato

La nuova fase, Sm Ni O, ha un'assegnazione specifica di atomi di nichel diversa dal suo predecessore. Ha tre tipi di configurazioni di nichel: quadrato-planare, piramidale e ottaedrica. Ogni tipo di struttura di nichel ha proprietà distinte, che possono influenzare come il materiale conduce elettricità o si comporta in diverse condizioni.

I ricercatori hanno utilizzato tecniche di imaging avanzate, come la microscopia elettronica a scansione con angolo di alta annular dark-field, per esaminare la struttura atomica del nuovo materiale. Hanno scoperto che la rimozione dell'ossigeno ha creato disposizioni uniche che hanno portato a interessanti proprietà elettroniche, inclusi l'ordinamento delle cariche e la localizzazione degli elettroni a basse temperature.

#Proprietà di Trasporto

I cambiamenti nell'assetto elettronico di Sm Ni O hanno anche influenzato la sua conducibilità elettrica. Mentre il materiale originale, SmNiO, mostrava proprietà semiconduttrici, la nuova fase si è rivelata altamente isolante. La resistività di Sm Ni O è stata misurata come significativamente più alta rispetto a quella della sua fase madre, indicando un cambiamento drammatico nel comportamento elettrico.

Esaminando le proprietà di trasporto di entrambi i materiali, è stato osservato che SmNiO ha sperimentato una transizione da uno stato conduttivo a uno isolante a temperature più elevate. Al contrario, la nuova fase Sm Ni O è rimasta isolante, suggerendo che la rimozione dell'ossigeno ha avuto un impatto profondo sul suo paesaggio elettronico.

#Confronto Strutturale

Per comprendere meglio le differenze tra SmNiO e Sm Ni O, i ricercatori hanno utilizzato diffrazione di raggi X e microscopia elettronica. Queste tecniche hanno rivelato che la struttura reticolare, o il modo in cui gli atomi sono disposti, è cambiata significativamente durante il processo di riduzione.

Il parametro reticolare fuori piano del nuovo materiale è stato trovato più piccolo rispetto a quello del nichelato originale, indicando una transizione strutturale. I film sottili di entrambi i materiali hanno mantenuto alta qualità, suggerendo che il processo di crescita è stato riuscito.

#Caratterizzazione Microscopica

Le tecniche microscopiche hanno svolto un ruolo cruciale nella caratterizzazione della nuova fase. L'imaging ad angolo alto in modalità dark-field ha mostrato che i nuovi film sottili di Sm Ni O erano uniformi e consistenti su grandi aree. Questa uniformità è essenziale per le potenziali applicazioni in elettronica, poiché implica che le proprietà del materiale saranno consistenti in tutto.

Inoltre, i ricercatori hanno osservato la presenza di vuoti ordinati di ossigeno apicali nella nuova fase. Questi vuoti, che si verificano quando gli atomi di ossigeno mancano dalla struttura, contribuiscono significativamente alle uniche proprietà elettroniche del materiale.

#Il Ruolo dei Vuoti di Ossigeno

I vuoti di ossigeno sono essenziali per comprendere il comportamento dei nichelati. In Sm Ni O, la rimozione controllata dell'ossigeno porta alla formazione di questi vuoti, che a loro volta influiscono sulla struttura elettronica. La presenza di vuoti può portare a diversi ambienti di coordinazione per gli atomi di nichel, risultando in stati di carica e disposizioni orbitali variegate.

Lo studio ha suggerito che l'ordinamento di questi vuoti porta a un paesaggio elettronico complesso, caratterizzato da forte polarizzazione orbitale e localizzazione della carica. Questo gioco tra vuoti e coordinazione del nichel è cruciale per sviluppare materiali con proprietà elettroniche su misura.

#Calcoli Ab-Initio

Per supportare i risultati sperimentali, i ricercatori hanno effettuato simulazioni computazionali utilizzando la teoria della funzionale della densità. Queste simulazioni hanno fornito intuizioni su come le diverse disposizioni di nichel e ossigeno influenzassero le proprietà elettroniche della nuova fase.

I calcoli hanno indicato che la fase Sm Ni O consiste in tre tipi di siti di nichel, ognuno dei quali contribuisce a una situazione di valenza mista. Questo significa che gli atomi di nichel possono esistere in diversi stati di carica, il che porta al comportamento unico osservato nel materiale.

#Misurazioni Spettrali

Tecniche spettroscopiche, come la spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS) e la diffusione inelastica di raggi X risonante (RIXS), sono state utilizzate per indagare ulteriormente le proprietà elettroniche del nuovo nichelato. Queste misurazioni hanno permesso agli scienziati di esaminare gli stati elettronici del nichel sia nella fase madre che in quella ridotta.

I risultati hanno mostrato che il nichel nella fase Sm Ni O aveva uno stato di ossidazione più basso rispetto a quello di SmNiO. Questa riduzione della valenza suggeriva che il nuovo materiale potrebbe avere un carattere più metallico, nonostante sia altamente isolante a causa dei cambiamenti strutturali.

#Implicazioni per la Ricerca Futuramente

La creazione di Sm Ni O apre nuove possibilità nel campo della scienza dei materiali, in particolare per le applicazioni elettroniche. L'unica combinazione di ordine strutturale e proprietà elettroniche potrebbe portare a scoperte nello sviluppo di dispositivi di nuova generazione.

Mentre i ricercatori continuano a esplorare il comportamento complesso di questi materiali, potrebbero scoprire nuovi fenomeni che potrebbero essere sfruttati per varie tecnologie, come stoccaggio di energia, sensori o addirittura dispositivi di computing neuromorfico. La capacità di controllare il contenuto di ossigeno nei nichelati potrebbe portare a una nuova classe di materiali con applicazioni nell'elettronica avanzata.

#Conclusione

Lo studio di Sm Ni O illustra le emozionanti possibilità che sorgono dalla manipolazione delle strutture e delle composizioni dei nichelati. Utilizzando tecniche avanzate per la sintesi e la caratterizzazione, gli scienziati possono produrre materiali con proprietà su misura che hanno il potenziale di influenzare vari campi.

Questa ricerca non solo espande la comprensione degli ossidi di metalli di transizione, ma apre anche la strada a nuove applicazioni nell'elettronica e nella scienza dei materiali. I risultati di questo studio evidenziano l'importanza di una continua esplorazione nel campo dell'ingegneria dei materiali, dove nuove scoperte possono portare a tecnologie trasformative.