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能在导体与绝缘体间转换的新型材料

来源:环球科学

研究人员发现在氮氧化钼材料中的金属-绝缘体转变发生在600摄氏度附近,并揭示了其在高温传感器和电力电子中的应用潜力。

(图片来源:西北大学)

西北大学工程研究员开发了一种新兴的设计策略来识别表现出金属-绝缘体转变(MIT)的新材料,并根据这类罕见的材料在导电和绝缘状态之间可逆转换的能力分类。

这种新方法可以推动未来设计和交付运行更快、存储能力更强的微电子器件,以及对未来电子器件的量子材料平台的展望。

“我们的方法使用原子级别的阴离子取代技术和加上对于金属-绝缘体转变(MIT)材料关键性质的了解来识别潜在的拥有金属-绝缘体转变(MIT)能力的杂阴离子材料,而这些材料至今尚未被广泛认识。”材料科学与工程副教授James Rondinelli和领导该团队的麦考密克工程学院材料与制造专业(Manufacturing at the McCormick School of Engineering)的初级教授Morris E. Fine说,“我们希望通过阐明这些电子结构与性质的关系,以期未来能够设计出量子材料新的转变方式。”

一篇概述这项工作的论文发表在《物理评论快报》杂志上,题目是“Design of Heteroanionic MoON Exhibiting a Peierls Metal-insulator Transition”(《展现Peierls金属-绝缘体转变的杂阴离子MoON的设计》)。Rondinelli和材料科学与工程系的研究助理教授Danilo Puggioni是这篇论文的合著者。

Rondinelli和研究人员利用西北大学探索高性能计算集群以量子力学计算机模拟方式,在皮米尺度设计了这种新材料的晶体结构来控制相变,并将其命名为氧氮化钼(MoON)。研究人员发现金属-绝缘体转变(MIT)发生在600摄氏度附近,揭示了它在高温传感器和电力电子领域的应用潜力。

该小组注意到多个设计参数影响了MoON的相变。材料中包含多种阴离子——在这种情况下是带负电荷的氧离子和氮离子——激活了相变,这是由于电子轨道的空间导向相关的特定电子构型,支持了以前在其他二元金属-绝缘体转变(MIT)材料中的发现。此外,MoON的柔性金红石晶体结构使导电和绝缘状态之间具有可逆性。

这些发现将在纳米尺度上的细微变化如何可用于控制材料中的宏观行为(如导电性)提供见解。

“在过去的十年里,已有大量的工作来了解金属-绝缘体转变(MIT)材料并发现新的材料;然而,目前已知能展现出这种热转变的特殊化合物不到70种。”Rondinelli说,“我们在设计中体现了金属-绝缘体转变(MIT)材料的关键特征,包括在皮米尺度上特殊的结构特征,以及关键的d1电子构型。我们的项目指明了一个方向:我们和其他人可以使用关键的第一原则设计概念来扩展金属-绝缘体转变(MIT)材料的相空间,并更有效地追求新的金属-绝缘体转变(MIT)材料。”

科学家们希望通过阐明这些材料的电子结构-性质关系,并在未来设计出量子材料的新转变方式。这些化合物可用作晶体管或存储器应用的活性涂层。

Rondinelli说:“金属-绝缘体转变(MIT)材料代表了一类相变,它可能会使信息处理和存储的进步超越传统微电子学中的互补金属氧化物半导体的规模,这意味着设备速度更快,存储能力更强。此外,金属-绝缘体转变(MIT)材料可以支持低功率的微电子系统,这意味着你需要更低的频率给你的设备充电,而且由于组件需要更低的功率,它的使用寿命更长。”

作者:Alex Gerage, Northwestern University

翻译:王麟涛

审校:罗广桢

引进来源:西北大学

 

 

 

本文来自:环球科学
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