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电压控制的可切换材料可以实现新的内存芯片

时间：2021-11-22 10:25:01 来源：

该图显示了如何使用电压来改变氧气浓度，因此是锶钴粒子的相和结构。泵送氧气进出，将材料从棕色镁层形式（左）转变为钙钛矿形式（右）。

可以在金属和半导体之间切换相位和电性能的新型薄膜材料可能导致新的存储器芯片设计。

两个麻省理工学院研究人员开发了一种薄膜材料，其可以通过施加小电压来在金属和半导体之间切换相位和电性能。然后，材料保持其新配置，直到通过另一电压切换回来。该发现可以为新种“非易失性”计算机存储器芯片铺平道路，该计算机存储器芯片在关闭电源时保留信息，以及用于能量转换和催化应用。

在MIT材料科学研究生Qiyang Lu和副教授胆识的纸上报告的调查结果报告，涉及一种称为锶钴矿石或SRCOOX的薄膜材料。

通常，Yildiz说，材料的结构阶段由其组成，温度和压力控制。“这是第一次，”她说，“我们证明电偏压可以引起材料中的相位过渡。事实上，我们通过改变SRCOOX中的氧含量来实现这一点。“

“它有两种不同的结构，取决于它含有的每单位细胞的许多氧原子，这两个结构具有相当不同的特性，”Lu解释说。

这些分子结构的这些配置之一被称为Perovskite，另一个称为棕色少数。当存在更多氧气时，它形成了钙钛矿的紧密封闭的笼状晶体结构，而较低浓度的氧气产生棕色镁石的开放性结构。

这两种形式具有截然不同的化学，电，磁性和物理性质，并发现Lu和Yildiz发现，可以在两种形式之间翻转材料，施加非常小的电压 - 只有30毫伏（0.03伏）。并且，一旦改变，新配置保持稳定，直到第二次施加电压才能翻回。

锶钴酸盐仅仅是一种称为过渡金属氧化物的材料的一个实例，其被认为是对包括燃料电池中的电极的各种应用，允许氧气通过用于气体分离的膜，以及诸如存储器的电子设备（如忆阻器）的供应。一种非易失性，超快和节能存储器件的形式。研究人员说，通过使用仅使用仅限微小电压来触发这种相变的能力可以为这些材料开辟许多用途。

以前的钴钴酸锶依赖于周围气体气氛中的氧浓度的变化，以控制材料所需的两种形式中的哪一个，但这本质上是一种更慢的控制，控制，Lu说。“所以我们的想法是，不要改变气氛，只需施加电压。”

“电压改变了材料面孔的有效氧气压力，”Yildiz添加。为了使可能，研究人员将物质（棕色晶岩相）的非常薄薄的薄膜沉积在基材上，它们使用钇稳定的氧化锆。

在该设置中，将电压驱动氧原子施加到材料中。施加相反电压具有相反的效果。为了观察和证明材料确实在应用了电压时确实经过这种相位过渡，该团队在MIT的材料科学和工程中心调用了原位X射线衍射的技术。

在橡木岭国家实验室的科学家在去年开发了通过改变环境中的气体压力和环境之间的两个阶段之间切换这种材料的基本原理。“虽然有趣，但这不是控制在使用中的设备属性的实用手段，”Yildiz说。通过目前的工作，通过应用电荷，MIT研究人员通过应用了这种材料的控制，使这类材料的相位和电性能进行了控制。

Lu说，除了存储器装置之外，该材料还可能最终在锂离子电池中找到燃料电池和电极中的应用。

“我们的工作通过引入电气偏见作为控制活性材料阶段的方法具有根本的贡献，并通过为这种新颖的能源和信息处理设备奠定基本科学的基础，”Yildiz添加。

在正在进行的研究中，该团队正在努力更好地了解其不同结构中材料的电子特性，并与麻省理工学院教授哈里提勒合作，将这种方法扩展到内存和能源应用的其他氧化物。

JoséSantiso，西班牙加泰罗尼斯纳米科学研究所的纳米材料生长宣言领导者，西班牙纳米科学研究所，他没有参与这项研究，称为这类有趣类材料的“一个非常重要的贡献”，并说“它铺平了这些材料在固态电化学装置中应用这些材料，以便在新的内存器件中有效地转换能量或氧气储存，以及可能的应用。“

该工作得到了国家科学基金会的支持。

出版物：齐阳路和胆识，“薄膜SRCOOX的电压控制拓扑相转变通过原位X射线衍射监测”纳米字母，2016; DOI：10.1021 / ACS.NANOLETT.5B04492


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