چگونگی گذار دی‌اکسید وانادیوم پس از 50 سال کشف شد
آزمایشات، به همراه محاسباتی با کارایی بالا نشان می‌دهند که چگونه ارتعاشات شبکه بزرگ به طور غیرمنتظره باعث ایجاد ثبات در این فاز فلزی بسیار رسانا می‌شود که ارتعاشات شبکه در واقع نوسانات اتم‌ها به دور موقعیت‌های تعادل خود هستند.
دستیابی به توصیف کمی فاز و عملکرد در اکسیدهای فلزی نقش مهمی در طراحی مواد با ویژگی‌های منحصر به فرد دارد.
دی اکسید وانادیوم، یک ماده کاربردی است که می تواند در کاربرد‌هایی مانند پنجره های هوشمند و ترانزیستورهای اثر میدانی فوق سریع استفاده شود. این ماده در اثر حرارت دادن تا دمایی بالاتر از دمای اتاق از حالت عایق به فلز تبدیل می‌شود. در دمای گذار، هدایت الکتریکی وانادیوم دی‌اکسید به طور ناگهانی با مرتبه‌ای از 10000 افزایش می یابد و شبکه اتمی آن از ساختار منوکلینیک (تک شیب) به ساختار تتراگونال (چهار گوشه) بازآرایی می‌شود. دستگاه بلوری چهارگوشه یکی از هفت دستگاه بلوری (دستگاهی که با سه بردار شناخته می‌شود) است که در آن قاعده، مربع است و ارتفاع برابر اندازه ضلع مربع نیست. همچنین تمام زاویه‌ها 90 درجه‌اند. اما شبکه بلوری تک شیب، ساختاری منشوری با قاعده متوازی الاضلاع است.
بیش از 50 سال، توصیف اصولی ویژگی‌های فیزیکی و الکترونیکی وانادیوم دی‌اکسید در طول مرحله گذار، مبهم و بحث برانگیز باقی مانده بود تا اینکه پژوهشگران آزمایشگاه ملی اوک ریج در دانشکده انرژی، از اصول اولیه محاسبات مقیاس بزرگ مربوط به تزویج آزمایش‌های نوترون پیشرفته و پراش اشعه ایکس برای تعیین مکانیسم دقیق گذار استفاده کردند، آنها این مراحل را توسط ابررایانه‌های ویژه‌ای انجام دادند.
روش پراش اشعه ایکس بر پایه خاصیت موجی اشعه ایکس استوار است. هسته اتم‌ها در یک شبکه کریستالی به فاصله کمی (در حدود چند آنگستروم) از یکدیگر قرار گرفته‌اند و بازتاب اشعه ایکس از این صفحات متوالی منجر به تداخل سازنده یا ویرانگر امواج ایکس می‌شود. در صورتی که امواج تداخل سازنده داشته باشند، می‌توان فاصله صفحات کریستالی و در نتیجه اندازه و نوع سلول واحد را بدست آورد.
نتایج مطالعات آنها که در مجله نیچر منتشر شده است، نشان می‌دهد ارتعاشات شبکه (فونون‌ها)، بر نیروی ترمودینامیکی تحریک کننده گذار عایق به فلز غلبه می‌کند. علاوه بر این، تعیین کمی و مستقیم پراش‌های فونون، و همچنین توصیفی از اینکه چگونه تغییر موقعیت‌ها در اوربیتال اتمی می‌تواند در انتقال فاز شرکت کنند توسط یافته‌های اخیر به دست آمد.
فونون که یک کوانتوم انرژی است، در نقش یک شبه ذره، حرکت نوسانی اتم‌ها در کریستال را توجیه می‌کند. فونون در فیزیک ماده چگال، نقش بسیار مهمی دارد و بسیاری از ویژگی‌های مواد جامد از جمله رسانایی گرمایی و رسانایی الکتریکی توسط فونون‌ها تعیین می‌شود. در واقع فونون به عنوان شبه ذره یک بوزون است، به این معنی که از آمار بوز-اینشتین تابعیت می‌کند.
برای فونون می‌توان تعاریفی چون ارتعاشات نامنظم شبکه بلوری و یا بسته های انرژی حرارتی را در نظر گرفت. به نظر می رسد که فونون باعث ایجاد مقاومت الکتریکی در برابر مسیر حرکت الکترون ها است و شاید حداقل یکی از به وجود آورندگان فونون ، خود الکترون باشد.
فونون‌های کم انرژی با تغییر بین باندهای انرژی اتم‌ها (به عنوان مثال، اوربیتال های الکترونی)، به برخی از الکترون ها اجازه می‌دهند تا آزادانه در دماهای بالاتر جابجا شوند و این منجر به پدید آمدن یک حالت فلزی می‌شود.
این پژوهش نشان می دهد که پویایی شبکه غیرهمساز نقش مهمی در کنترل رقابت فازی در اکسیدهای فلزی بازی می‌کند، و مدل فیزیکی کاملی برای طراحی پیش‌گویانه مواد جدید با ویژگی‌های منحصر به فرد را فراهم می کند.
No tags for this post.
