Tällaisia ovat ionotroniset nanolaitteet

Aalto-yliopistossa on otettu askel eteenpäin omalaatuisten ionotronisten nanolaitteiden kehittämisessä. Luvassa on muun muassa uusia mahdollisuuksia sähköisten muistien kehittämisessä.

Ionotroniset laitteet toimivat ionien eli sähköisesti varautuneiden atomien tai molekyylien avulla. Perinteisesti elektroniikan toiminta perustuu elektroneihin, eli atomeissa oleviin sähköisesti varattuihin alkeishiukkasiin. 

Uudenlaiset ionotroniset laitteet ovat tässä mielessä monipuolisia, sillä ne voivat toimia sekä ionien että elektronien avulla. Tekniikan saaminen normaalikäyttöön vaatii kuitenkin vielä monen teknisen haasteen selättämistä.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat ottaneet tässä nyt yhden askeleen eteenpäin. He ovat kuvanneet, kuinka happi-ionien liike kompleksioksidisessa materiaalissa saa materiaalin kiderakenteen muuttumaan yhtenäisesti ja palautuvasti aiheuttaen suuria muutoksia sähkövastuksessa.

Nanomagnetism and Spintronics -tutkimusryhmässä tehtiin yhtäaikaisia kuvannus- ja vastusmittauksia läpäisyelektronimikroskoopilla (TEM) käyttäen näytepidintä, jossa on nanokokoinen sähköinen anturi.

Esimerkiksi resistiivinen tietokonemuisti (RRAM) voisi hyödyntää tätä vaikutusta; muistipiirit ovatkin ensimmäisinä tutkijoiden mielessä, kun ionotroniikalle tehdään sovelluksia.


Juttu jatkuu mainoksen jälkeen

Tutkijatohtori Lide Yao teki tutkimuksen Aalto-yliopiston Nanomikroskopiakeskuksessa, joka on materiaalien nanokarakterisaation keskus Suomessa ja osa kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria. Kuva Mikko Raskinen.

”Läpäisyelektronimikroskoopissa elektronisäde läpäisee hyvin ohuen näytteen", kertoo tutkijatohtori Lide Yao teknillisen fysiikan laitokselta. 

"Erilaiset ilmaisimet keräävät elektronit näytteen läpäisyn jälkeen, ja niistä saadaan yksityiskohtaista tietoa materiaalin atomirakenteesta ja koostumuksesta. Tekniikka on erittäin tehokas nanomateriaalin karakterisoinnissa, mutta jos sitä käytetään tavanomaiseen tapaan, sillä ei voi muokata materiaalia aktiivisesti mikroskoopin sisällä. Käytimme tutkimuksessamme erityistä näytepidintä, jossa on pietso-ohjattu metallinen näytteenotin sähköisen nanokontaktin aikaansaamiseksi. Tämän in situ –tekniikan avulla pystyimme lyhyitä jännitepulsseja käyttämällä hallitsemaan happi-ionien vaellusta näytteessä."

Tutkimusten mukaan happi-ionien vaeltaminen pois kontaktin läheltä johti äkilliseen muutokseen oksidin hilarakenteessa sekä sähkövastuksen kasvuun. Jännitteen napaisuuden vaihto palautti alkuperäiset ominaisuudet täydellisesti.

Tohtorikoulutettava Sampo Inkisen tekemät sähkötermiset simulaatiot osoittivat, että sähkövirran aiheuttaman näytteen lämpenemisen ja sähkökentän ohjaaman ionien liikkeen yhdistelmä aiheutti vaihto-ominaisuuden.

Ionotroninen periaate soveltuu useiden materiaalin ominaisuuksien muokkaamiseen

”Tässä tutkimuksessa tutkittu materiaali on kompleksioksidi", sanoo professori Sebastiaan van Dijken.  

"Kompleksioksideissa voi esiintyä useita mielenkiintoisia fyysisiä ominaisuuksia, kuten magnetismia, ferrosähköisyyttä ja suprajohtavuutta. Nämä ominaisuudet vaihtelevat materiaalin hapetustilan mukaan. Happi-ionien jännitteellä aikaansaatu vaeltaminen muuttaa hapetustilaa ja aiheuttaa voimakkaita vasteita materiaalissa. Olemme osoittaneet suoran korrelaation happipitoisuuden, kiderakenteen ja sähkövastuksen välillä, ja samaa ionotronista periaatetta voisi hyödyntää muiden materiaalin ominaisuuksien hallitsemisessa.”

”Tässä tutkimuksessa käytimme erityistä näytteenpidintä, jonka avulla pystyimme suorittamaan yhtäaikaisia mittauksia atomirakenteesta ja sähkövastuksesta", jatkaa Yao.

"Kehitämme parhaillaan täysin uutta ja ainutlaatuista näytteenpidintä, jonka avulla TEM-mittauksia voisi suorittaa samalla kun näytettä säteilytetään voimakkaalla valolla. Aiomme tulevaisuudessa tutkia atomitason prosesseja perovskiitti-aurinkokennoissa ja muissa optoelektronisissa materiaaleissa tällä kokoonpanolla.”

Tutkimustulokset julkaistiin uusimmassa Nature Communications -julkaisussa (DOI: 10.1038/NCOMMS14544). 

In situ -TEM-tutkimus tehtiin Aalto-yliopiston Nanomikroskopiakeskuksessa, joka on materiaalien nanokarakterisaation keskus Suomessa ja osa kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria

Juttu on perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.