Trasporto di carica negli ossidi di metalli di transizione

Molti dei materiali funzionali a base di ossidi importanti per l’industria degli IC sono anche fondamentali per i sistemi di stoccaggio dell’energia necessari per rendere efficaci fonti intermittenti come l’eolico e il solare. Nonostante questa sovrapposizione, la ricerca sulle proprietà dei materiali in relazione a questi due campi si è generalmente svolta in modo separato.

Il progetto ELIOT (Electronic and ionic transport in functional oxides), finanziato dall’UE, ha creato un ponte, studiando in che modo la produzione del materiale e le proprietà fisiche influiscono sul trasporto di carica in questi ossidi.

Gli scienziati hanno scelto di studiare gli ossidi dei metalli di transizione, le loro proprietà elettrochimiche e fisicochimiche, e gli effetti delle tecniche di deposizione dei materiali e delle condizioni sul trasporto di carica. Essi si sono concentrati su applicazioni nella memoria non volatile e nello stoccaggio dell’energia con un’attenzione particolare, rispettivamente, su mobilità elettronica e ionica. La definizione dei meccanismi potrebbe portare alla costruzione di materiali migliori per entrambi i settori.

Una promettente alternativa ai dispositivi con memoria flash per superare le vicine barriere riguardanti capacità e velocità sfrutta gli ossidi metallici che presentano una commutazione resistiva. Il primo obbiettivo del progetto era quello di identificare i materiali per i quali il grande cambiamento modulare nella resistenza alle tensioni a impulsi applicate è dovuto agli effetti elettronici correlati.

Gli ossidi dei metalli di transizione con elevata mobilità ionica ma bassa conduttività elettrica sono interessanti come elettroliti solidi per applicazioni nelle celle a combustibile. I materiali con elevata capacità di stoccaggio del litio (bassa mobilità) e buona conduttività elettrica sono dei possibili candidati per applicazioni negli elettrodi.

Gli studi hanno riguardato semplici ossidi binari come il biossido di vanadio o il biossido di titanio (VO2 e TiO2, rispettivamente). Essi hanno anche valutato degli ossidi più complessi come ad esempio nichelato di samario (SmNiO3) e ossido di litio e manganese (LiMn2O4).

VO2 e SmNiO3 hanno mostrato una transizione da metallo a isolante, da una buona conduttività di carica a una bassa conduttività, con la temperatura. TiO2 e LiMn2O4 sono stati identificati come promettenti materiali per l’elettrodo per le batterie, mentre un ossido di litio e magnesio ha mostrato di poter essere usato come elettrolita solido.

Una migliore conoscenza dei fattori che influiscono sulla mobilità elettronica e ionica degli ossidi dei metalli di transizione potrebbe portare a svolte fondamentali in aree importanti dal punto di vista socioeconomico come ad esempio la memoria volatile e lo stoccaggio dell’energia. ELIOT ha indicato la strada alla progettazione razionale di materiali avanzati per queste e altre applicazioni.