Исследователи лаборатории Беркли Университета Калифорнии в США открыли новый класс материалов, способных за «нанодоли» секунды обратимо переходить из одного фазового состояния в другое, а именно из кристаллической формы в аморфную и обратно. Подобные материалы, чьи оптические или электрические свойства существенно различаются в разных фазовых состояниях, рассматриваются как основа для создания устройств памяти. Представляют они собой нанокристаллические сплавы металла и полупроводника и называются «бинарными наноструктурными эвтектическими сплавами» (BEAN — binary eutectic-alloy nanostructures). Заметим, что эвтектические структуры — это мелкодисперсные механические смеси нескольких фаз, открыты они более 100 лет назад. Их свойства (такие, как высокая твёрдость) давно и широко используются в металлургии и материаловедении. (Примером могут служить быстрорежущие ледебуритные стали.)

Новый материал, названный его разработчиками BEAN-материалом, способен за наносекунды менять своё фазовое состояние — от кристаллического к аморфному и обратно. Это свойство может быть использовано в будущих устройствах памяти.

Инициировать сверхбыстрый (наносекундный) фазовый переход в BEAN-материале можно, например, с помощью лазерного или электрического импульса, который мгновенно изменяет температуру сплава, что и приводит к фазовым переходам.

BEAN-сплав, разработанный в лаборатории Беркли, представляет собой нанокристаллы эвтектической смеси германий — олово (Ge—Sn), состав которой может меняться. Эти нанокристаллы внедряются в матрицу, состоящую из аморфного диоксида кремния (SiO₂). Если подобный материал нагреть выше точки плавления эвтектической смеси, нанокристаллы расплавляются, образуя капли однородной жидкости в твёрдой SiO₂-матрице, которые при последующем медленном охлаждении будут кристаллизоваться с образованием равновесной двухкомпонентной структуры. При быстром охлаждении затвердевание капель происходит при более низкой температуре. Из таких «переохлаждённых» капель формируется аморфная структура однородного состава. Повторный нагрев приводит к рекристаллизации аморфной структуры и возвращению нанокластеров к их исходной кристаллической форме. То есть все превращения обратимы.

Температуру плавления и кристаллизации нанокластеров можно регулировать, изменяя состав эвтектической смеси Ge—Sn или скорость охлаждения, или и то и другое вместе. Средний радиус наночастиц эвтектической смеси 11—17 нм.

Авторы исследования подчёркивают, что на сегодняшний день пока нет возможности охарактеризовать транспортные свойства (коэффициент диффузии, подвижность носителей заряда) как двухкомпонентной, так и аморфной наноструктур. Однако точно известно, что электросопротивление аморфных германиевых плёнок отличается от сопротивления кристаллического германия в 1000 раз. Это даёт уверенность учёным, что транспортные и оптические свойства аморфных и кристаллических двухкомпонентных BEAN-структур должны существенно различаться и могут регулироваться, меняя соотношение германия и олова в нанокластерах. В аморфном состоянии, как ожидается, будет наблюдаться обычная металлическая проводимость, в то время как двухкомпонентная система будет проявлять и полупроводниковые свойства и может функционировать как диод.

№4, 2011