Simpele verklaring is voldoende voor bijzonder gedrag van nikkelverbinding

Kort & Bondig

Wetenschappers zijn op zoek naar nieuwe materialen waarmee ze een computer kunnen bouwen die werkt als een menselijk brein. Zulke materialen moeten in staat zijn om te schakelen van een isolator in een geleider. Neodymium nikkel oxide kan dit, maar het was nog onduidelijk waarom dit materiaal zich zo gedraagt. Sommigen denken dat dit komt door de wisselwerking tussen zogeheten spins (een magnetische eigenschap) van de elektronen rond de nikkelatomen. Maar RUG onderzoekers hebben nu laten zien dat er een eenvoudiger verklaring kan zijn: door spanning in het materiaal verdwijnen er zuurstofatomen, wat de weerstand vergroot. Deze nieuwe kennis zal helpen bij het ontwikkelen van elektronica die de werking van hersencellen nabootst.

Sommige metaaloxiden, zoals de zogeheten nikkelaten, hebben een soortelijke weerstand die is te reguleren. Van dit soort materialen zou je adaptieve elektronica kunnen maken, en computers die werken als hersenen. Maar hoe de overgang tussen geleider en isolator precies werkt is nog een open vraag voor natuurkundigen. En bij nikkelaten is zelfs hun gedrag als geleidend metaal ongewoon. Onderzoekers van de RUG hebben, samen met Spaanse collega’s, ontdekt dat het allemaal niet zo ingewikkeld is als gedacht. Hun resultaten zijn op 11 juni gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

In een metaal kunnen elektronen vrij bewegen, terwijl ze in isolerend materiaal sterk gebonden zijn aan de atoomkern. Verhitting van een metaal veroorzaakt trillende ionen (fononen genaamd) die de bewegende elektronen verstrooien en op die manier de soortelijke weerstand vergroten. Maar verhitting kan in sommige isolerende materialen de geleiding juist toenemen, doordat elektronen genoeg energie krijgen om los te komen van de kern en de zogeheten bandkloof te overbruggen, die ze anders verhindert om door het materiaal te bewegen.

Hersencellen

‘In sommige oxiden, zoals complexe verbindingen met nikkel, de nikkelaten, kan een isolator overgaan in een geleidend metaal. Maar het is niet duidelijk hoe dat gebeurt’, vertelt Beatriz Noheda, hoogleraar Functionele Nanomaterialen en directeur van het Groningen Cognitive Systems and Materials Center (CogniGron) van de RUG. Zij bestudeert samen met haar promovendus Qikai Guo nikkelaten, omdat het mogelijk is hun soortelijke weerstand te reguleren. Zo’n afstelbare weerstand is te gebruiken om schakelingen te maken die de werking van hersencellen nabootsen.

‘Voordat dit mogelijk wordt is het eerst nodig om te begrijpen hoe de eenvoudigste toestand van nikkelaten, als geleidend metaal, precies werkt. Daarvoor moeten we snappen hoe elektronen in het materiaal bewegen onder invloed van een elektrisch veld’, legt Noheda uit. Een lineaire verandering in soortelijke weerstand (waarbij de curve van de geleiding als functie van de temperatuur een exponent van 1 heeft) is te verklaren met een eenvoudig model waarin elektronen worden gehinderd in hun beweging door de trilling van ionen. ‘Maar voor een exponent die niet 1 is zijn meer exotische verklaringen opgevoerd, gebaseerd op fluctuaties van de elektronenspin van nikkel en interacties tussen elektronen, die plaatsvinden wanneer het systeem zich dicht bij een zogeheten kwantum-kritisch punt bevindt.’

Zuurstofatomen

Noheda en haar team zagen echter in dunne films van neodymium nikkelaat (NdNiO3) in sommige monsters een exponent van 1, terwijl dat in andere monsters niet zo was. Dit suggereert dat de exponent niet een intrinsieke eigenschap van het materiaal is. Noheda: ‘Daarom zijn we systematisch gaan kijken naar dunne films die op verschillend soorten ondergrond zijn gegroeid.’ De resultaten lieten zien dat in perfecte films de exponent 1 was, wat betekent dat de soortelijke weerstand wordt bepaald door fononen, net als in gewone metalen. Maar als de ondergrond een spanning in de film veroorzaakte, veranderde de exponent.

De spanning in de film zorgt ervoor dat er zuurstofatomen verdwijnen uit de kristallen. Hierdoor veranderen de krachten tussen de verschillende ionen, en daarmee ook de elektronische energie. En dat heeft weer gevolgen voor de soortelijke weerstand. ‘We ontdekten dat we het aantal verdwenen zuurstofatomen konden controleren en daardoor de soortelijke weerstand naar believen konden afstellen. Daarmee hebben we een regelknop in handen waarvan we het bestaan niet kenden. En het lijkt erop dat het niet nodig is om exotische elektron-elektron interacties op te voeren om de geleidende toestand van nikkelaten te verklaren’, aldus Noheda.

Temperatuur

Het ontwerpen van elektronica gebaseerd op nikkelaten, die de werking van hersencellen nabootsen, is gemakkelijker als het duidelijk is hoe de geleidende toestand en de overgang naar de isolerende toestand zijn te controleren. Dat is het uiteindelijke doel van Noheda en haar team. ‘We weten nu dat deze nikkelaten meer lijken op gewone metalen dan we eerst dachten. Het kunnen goede geleiders zijn als we er maar voor zorgen dat er geen zuurstofatomen ontbreken in de kristalstructuur. In die situatie zorgt de overgang naar de isolerende toestand voor een grotere verandering in weerstand, zodat we een schakeling kunnen maken die lijkt op een hersencel met he vermogen zich aan te passen.’

Tijdens de experimenten uit dit onderzoek is de soortelijke weerstand van de nikkelaten aangepast via een verandering in temperatuur. ‘Dat is natuurlijk niet ideaal wanneer je het wilt toepassen in een apparaat. De volgende stap is daarom het materiaal zo aan te passen dat we de weerstand met een elektrisch veld kunnen afstellen’, besluit Noheda.

Referentie: Qikai Guo, Saeedeh Farokhipoor, César Magén, Francisco Rivadulla, and Beatriz Noheda: Tunable resistivity exponents in the metallic phase of epitaxial nickelates. Nature Communications, 11 Juni 2020