Сотрудники Аргоннской Национальной Лаборатории установили, что при помощи слабых электрических токов в тонких оксидных плёнках можно создавать кислородные вакансии, что существенно изменяет электропроводность этих материалов. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.

Это открытие улучшает наше понимание того, как работают эти материалы и как их можно применять в новой электронике, в катализаторах и пр.

В последнее время оксиды привлекают к себе повышенное внимание благодаря тому, что временами демонстрируют необычное поведение: переходы между проводящим и непроводящим состояниями, включение и выключение магнетизма или даже сверхпроводимость. Ученые предполагают, что по крайней мере ряд этих явлений связаны с кислородными вакансиями — пустующими местами для атомов кислорода в кристаллической решётке оксида.

Обычно, кислородные вакансии создают нагревая материал и добавляя или удаляя кислород из внешней среды. Но необходимость контролировать состав газовой среды накладывает ограничения на возможности изменения свойств оксидного материала. Поэтому в Аргоннской лаборатории задались целью найти альтернативный путь управления вакансиями.

Авторы сконструировали двухслойный материал: сверху кристаллический слой оксида индия, под ним — основа из циркония, стабилизированного иттрием. При приложении слабого электрического поля проводимость на границе раздела слоев подскакивала на два порядка величины. Наблюдавшийся эффект оказался обратимым: без поля система возвращалась в прежнее состояние со сниженной электропроводностью.

Согласно теории, подкрепленной результатами численного моделирования на кластере Fusion в Argonne Laboratory Computing Resource Center, разница между свойствами двух материалов создает вертикальный градиент электрического потенциала. Отрицательно заряженные ионы кислорода из оксида индия вовлекаются в ток через границу раздела, оставляя за собой кислородные вакансии.

Коллектив лаборатории планирует продолжить эксперименты на других материалах, а также установить, позволяет ли открытый метод контролировать прочие свойства оксидов.