Korejští vědci objevili, jak nanopartikly zásadně mění oxidy pro budoucí elektroniku a spintroniku

Tým vědců z Pohang University of Science and Technology (POSTECH) a Korea Institute of Energy Technology (KENTECH) představil novou strategii, která umožňuje současně řídit elektronické a magnetické vlastnosti tenkých oxidových vrstev.

Tým vědců z Pohang University of Science and Technology (POSTECH) a Korea Institute of Energy Technology (KENTECH) představil novou strategii, která umožňuje současně řídit elektronické a magnetické vlastnosti tenkých oxidových vrstev. Klíčem k tomuto průlomu je proces známý jako exsoluce, jehož výsledky byly publikovány v prestižním časopise Advanced Materials.

Exsoluce je proces, při kterém se kovové ionty, původně zabudované v oxidovém krystalu, za redukčních podmínek přesouvají na povrch a tam se srážejí jako kovové nanopartikly. Tyto nanopartikly jsou částečně ukotveny v oxidové mřížce, což jim zajišťuje vyšší tepelnou a chemickou stabilitu ve srovnání s částicemi vytvořenými konvenčními metodami. Dosud byla exsoluce využívána především v energetických aplikacích, jako je katalýza, palivové články nebo elektrolýza. Vědci však dosud plně nerozuměli, jak tento proces ovlivňuje vnitřní elektronické a magnetické vlastnosti samotných oxidových materiálů.

Aby tuto otázku zodpověděl, výzkumný tým se zaměřil na specifický materiál La₀.₂Sr₀.₇Ni₀.₁Ti₀.₉O₃-δ, známý perovskitový titanát s deficitem na A-místě, který podporuje exsoluci kationtů B-místa do kovových nanopartiklů. Kombinací experimentálních měření a výpočtů na základě teorie funkcionálu hustoty tým zjistil, že v původním stavu tento materiál obsahuje více typů defektů, které se navzájem elektricky kompenzují, což vede k izolačnímu stavu. Po exsoluci se však niklové nanopartikly tvoří jak uvnitř, tak na povrchu filmu, a výsledná rekonstrukce defektů v oxidové mřížce způsobuje výraznou změnu v elektronické struktuře. Mřížka se vyvíjí směrem k fázi podobné SrTiO₃ dopovanému lanthanem, což vede k silně elektronově dopovanému, degenerovanému kovovému stavu. Tato transformace způsobuje obrovský přechod z izolantu na kov s více než trojnásobnou změnou odporu. Tyto výsledky ukazují, že exsoluce není jen metoda pro generování kovových nanopartiklů, ale může také zásadně modifikovat elektronickou strukturu hostitelské oxidové mřížky.

Tým rovněž pozoroval výraznou změnu magnetických vlastností. Zatímco původní film vykazoval téměř diamagnetické chování, film po exsoluci projevoval superparamagnetismus při pokojové teplotě, který vznikl interakcemi mezi nově vytvořenými niklovými nanopartikly. To dokazuje, že exsoluce může současně ladit jak elektrické chování perovskitové oxidové matrice, tak magnetickou odezvu zabudovaných kovových nanopartiklů.

Profesor Han zdůraznil, že tato studie ukazuje, že exsoluce může jít nad rámec pouhé tvorby nanopartiklů a sloužit jako všestranná cesta k současnému řízení elektronických a magnetických vlastností v tenkých oxidových vrstvách. Kombinací inženýrství defektů s tvorbou nanopartiklů by tento přístup mohl otevřít nové strategie pro návrh funkčních elektronických a spintronických zařízení.