金属氧化物中的缺陷可能是它们性能的关键

在该图中，描绘了氧化钡晶体的原子晶格，用红色和灰球表示的氧气和钡。中性氧气空位，氧原子应出现在晶格中但代替两个电子代替的地方，由黄色形状表示，其描绘了那些电子的电荷密度。在左侧，看过晶体，没有施加电场，右侧，施加的场，每厘米21.8毫伏。格子的扭曲揭示了该应用电场的影响。

新出版的研究详细介绍了金属氧化物的缺陷可能是它们对各种高科技应用的性能的关键。

有时，在技术上缺陷的事情，例如材料的晶格中的缺陷，实际上可以产生打开新型有用应用的特性的变化。麻省理工学院团队的新研究表明，一种被称为绝缘金属氧化物的材料系列的这种缺陷可能是它们对各种高科技应用的性能的关键，例如非易失性存储器芯片和能量转换技术。

该研究结果本周报道了在“物理审查信中”的“物理审查信”，由MIT副教授Bilge Yildiz，教授和助理克里斯特克里特·克里斯特·克里斯特和前博士·斯多亚youssef。

许多研究人员已经调查了这些金属氧化物材料，Yildiz说，“他们的性质受到数量的高度管理和存在的缺陷。”当经受强大的驱动力，如强大的电场，“这种缺陷的行为并不熟知，”她说。

研究人员确实具有完善的理论理解，对这些绝缘金属氧化物在各种条件下的完美结构化的理论理解，例如在强电场中，但在含有常见类型的缺陷时，没有这种理论可以描述材料根据Yildiz的说法。理解这些效果是非常重要的，以便为潜在的应用开发这种有前途的材料系列，包括新型的低能量计算机存储器和处理装置，电基的制冷和电催化能量 - 转换装置，例如燃料电池。

该团队展示了理论框架，并展示了点缺陷的稳定性和结构在强电场下。他们占据了一种称为中性氧空位的常见缺陷 - 一种地方应该在晶格中出现氧原子，而是捕获两个电子。在电场中，它们的结果量化了材料的偏振行为。

“特别是氧气职位空缺在电子和电化学应用中非常重要，”Yildiz说，核科学与工程科学与工程部门联合约会。

在许多这些应用中，她说，可以在薄膜材料内产生内部电压梯度，并且这种“电势”梯度导致强电场。了解这些字段的效果对于某些新设备的设计至关重要。

“这方面的大部分工作都是实验的，”Yildiz说。“你拍了一部薄薄的电影，你把它放在电场里，你做了测量。”但在这样的实验中，局部电位和电场的影响是卷积的，使得非常难以理解结果。“不可能互相解决它们，所以你需要一个理论”来解释效果，她补充道。

研究人员现在设计了一种新的理论框架，使他们能够将电场效应与电势效应隔离，并独立量化。Yildiz说，这使得它们与经典理论产生的那些不同的预测不同于由经典理论产生的那些不同的预测。

她说，调查结果应该有助于实现一些重要潜在应用的发展。一种是一种新型的计算机存储器设备，称为电阻切换存储器，其使用非常小的能量提供快速的开关速度。这些存储器设备依赖于存在缺陷。

“它们切换其阻力状态[录制数据]取决于缺陷类型，内容和分布，”她说。“为了模拟设备行为，您应该能够模拟所应用的强电场如何改变缺陷结构，集中度和分布。”这就是这项新工作的启用：“如果您可以定量地了解潜在和领域的影响，那么您可以设计您的操作条件以受益于这些效果。”

理解这些效果对于其他应用对于分裂水分子在固液界面产生氢气，依赖于氧化氧化物界面的电子器件，或使用这些材料作为催化剂的其他电化学工艺，其中缺陷用作缺陷启用交互。

学习的材料属于被称为碱土金属二元氧化物的阶级，其成分是“地球上最丰富的材料中最丰富的材料中的阶层。”“[这个课程]廉价，丰富，并具有可调性的属性，”这使得很多应用程序就是希望。但她补充说，除了中性氧空位之外，他们现在将更广泛地应用于许多其他种类的氧化物材料以及它们内部的其他类型的缺陷。

“这项工作通过建立电气刺激缺陷晶体计算的必要数学来确定缺乏缺乏缺陷的缺陷的新范式，”维也纳计算材料物理学副教授Cesare Franchini说，Cesare Franchini说，谁没有参与这项工作。“这项工作扩展了电流理论，将热力学与电极化连接，并且几乎将偏离所有应用，其中缺陷（电刺激的其电刺激）是一种资产，包括催化，电子设备和电热量。”

该研究得到了国家科学基金会MRSEC方案，并由美国能源部科学办公室的能源部能源部能源驻地能源办公室的国家能源研究科学中心的使用资源。

出版物：MostaFa Youssef等，“在高电场下绝缘金属氧化物中的”偏光氧空位“，”物理“。莱特牧师119,126002,2017; DOI：10.1103 / physrevlett.119.126002