Atomy amorficznych ciał stałych, takich jak szkło, nie mają uporządkowanej struktury; układają się losowo, niczym rozrzucone ziarenka piasku na plaży. Zwykle nadanie materiałom amorfii – proces znany jako amorfizacja – wymaga znacznych ilości energii. Najpopularniejszą techniką jest proces hartowania w stopie, który polega na podgrzewaniu materiału aż do jego upłynnienia, a następnie szybkim chłodzeniu, tak aby atomy nie miały czasu na uporządkowanie się w sieci krystalicznej.
Teraz naukowcy z Wydziału Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Pensylwanii (Penn Engineering), Indyjskiego Instytutu Nauki (IISc) i Massachusetts Institute of Technology (MIT) opracowali nową metodę amorfizacji co najmniej jednego materiału – drutów wykonane z selenku indu lub In2Se3 – wymaga to zaledwie miliarda razy mniejszej gęstości mocy, co opisano w nowym artykule w Natura. Postęp ten może odblokować szersze zastosowania pamięci zmiennofazowej (PCM) – obiecującej technologii pamięci, która może przekształcić sposób przechowywania danych w urządzeniach, od telefonów komórkowych po komputery.
W PCM informacje są przechowywane poprzez przełączanie materiału między stanem amorficznym i krystalicznym, działając jak włącznik/wyłącznik. Jednak komercjalizacja na dużą skalę została ograniczona przez dużą moc potrzebną do wywołania tych transformacji. „Jednym z powodów, dla których urządzenia pamięci ze zmianą fazy nie znalazły powszechnego zastosowania, jest zapotrzebowanie na energię” – mówi Ritesh Agarwal, Srinivasa Ramanujan Distinguished Scholar i profesor nauk o materiałach i inżynierii (MSE) w Penn Engineering oraz jeden z starsi autorzy artykułu.
Przez ponad dekadę grupa Agarwala badała alternatywy dla procesu hartowania w stopie, po odkryciu w 2012 roku, że impulsy elektryczne mogą amorfizować stopy germanu, antymonu i telluru bez konieczności topienia materiału.
Kilka lat temu w ramach tych wysiłków jeden z pierwszych autorów nowego artykułu, Gaurav Modi, wówczas doktorant MSE w Penn Engineering, rozpoczął eksperymenty z selenkiem indu, półprzewodnikiem o kilku niezwykłych właściwościach: jest on ferroelektryczny, co oznacza, że może spontanicznie polaryzować i piezoelektryczny, co oznacza, że naprężenia mechaniczne powodują wygenerowanie ładunku elektrycznego i odwrotnie, ładunek elektryczny odkształca materiał.
Modi odkrył nową metodę właściwie przez przypadek. Przepuszczał prąd przez In2Se3 przewody, gdy nagle przestały przewodzić prąd. Po bliższym przyjrzeniu się, długie odcinki drutów uległy amorfizacji. „To było niezwykle niezwykłe” – mówi Modi. „Właściwie pomyślałem, że mogłem uszkodzić przewody. Zwykle do wywołania jakiejkolwiek amorfizacji potrzebne byłyby impulsy elektryczne, a tutaj ciągły prąd zakłócił strukturę krystaliczną, co nie powinno było mieć miejsca”.
Rozwikłanie tej tajemnicy zajęło większą część trzech lat. Agarwal wysłał próbki przewodów do jednego ze swoich byłych absolwentów, Pavana Nukali, obecnie adiunkta w IISc i członka szkolnego Centrum Nauki i Inżynierii Nano (CeNSE) oraz jednego z innych starszych autorów artykułu. „W ciągu ostatnich kilku lat opracowaliśmy pakiet na miejscu narzędzia mikroskopowe w IISc. Nadszedł czas, aby je przetestować — musieliśmy się bardzo, bardzo uważnie przyjrzeć, aby zrozumieć ten proces” – mówi Nukala. „Dowiedzieliśmy się, że wiele właściwości In2Se3 – aspekt 2D, ferroelektryczność i piezoelektryczność – łączą się, aby zaprojektować tę ścieżkę o ultraniskiej energii do amorfizacji pod wpływem wstrząsów”.
Ostatecznie naukowcy odkryli, że proces ten przypomina zarówno lawinę, jak i trzęsienie ziemi. Początkowo maleńkie przekroje – mierzone w miliardowych częściach metra – w obrębie In2Se3 przewody zaczynają amorfizować pod wpływem prądu elektrycznego. Ze względu na właściwości piezoelektryczne i warstwową strukturę drutów, prąd przesuwa fragmenty tych warstw w niestabilne pozycje, jak na przykład subtelne przesuwanie się śniegu na szczycie góry.
Po osiągnięciu punktu krytycznego ruch ten powoduje szybkie rozprzestrzenianie się odkształcenia w całym drucie. Zniekształcone obszary zderzają się, wytwarzając falę dźwiękową, która przemieszcza się przez materiał, podobnie jak fale sejsmiczne przemieszczają się przez skorupę ziemską podczas trzęsienia ziemi.
Ta fala dźwiękowa, technicznie znana jako „szarpnięcie akustyczne”, powoduje dodatkowe odkształcenia, łącząc wiele małych, amorficznych obszarów w jeden mierzony w mikrometrach – tysiące razy większy niż pierwotne obszary – zupełnie jak lawina zbierająca pęd w dół zbocza góry . „To po prostu gęsia skórka, gdy widzę, jak wszystkie te zjawiska oddziałują na siebie w różnych skalach długości jednocześnie” – mówi Shubham Parate, doktorant IISc i współpierwszy autor artykułu.
Wspólny wysiłek mający na celu zrozumienie tego procesu stworzył podatny grunt dla przyszłych odkryć. „Otwiera to nowe pole badań nad przemianami strukturalnymi, jakie mogą zachodzić w materiale, gdy wszystkie te właściwości się połączą. Potencjał tych odkryć w projektowaniu urządzeń pamięci o niskim poborze mocy jest ogromny” – mówi Agarwal.
Badanie to przeprowadzono w Szkole Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Pensylwanii, Indyjskim Instytucie Nauki i Massachusetts Institute of Technology przy wsparciu Programu Wielodyscyplinarnych Inicjatyw Badawczych Uniwersytetu Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (N00014-17-1-2661). , konkurs amerykańskiej Narodowej Fundacji Naukowej (NSF) Future of Semiconductors (nr 2328743), Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych (FA9550-23-1-0189), Wydział Badań Materiałowych NSF Materials Research Science and Engineering Centers Division of Materials Research (MRSEC /DMR-2309043) oraz Radę ds. Badań nad Nauką i Inżynierią Anusandhan National Research Foundation (CRG/2022/003506) od rządu Indii, a także obiekty w CeNSE i zaawansowanym ośrodku mikroskopii i mikroanalizy (AFMM), IISc oraz zdemokratyzowany system użytkowania.
