Новый материал переключается между электропроводящим и изоляционным состояниями

Исследователи из Northwestern Engineering разработали новую стратегию проектирования, чтобы идентифицировать новые материалы, демонстрирующие переход металл-изолятор (MIT), редкий класс материалов, классифицируемых по их способности обратимо переключаться между электропроводящим и изолирующим состояниями.

Новый метод может ускорить будущее проектирование и поставку более быстрой микроэлектроники с более широкими возможностями хранения, а также платформ квантовых материалов для будущей электроники.

«Наш подход использует анионное замещение в атомном масштабе и признание ключевых свойств MIT для идентификации потенциальных гетероанионных материалов MIT, которые до сих пор широко не рассматривались», — сказал Джеймс Рондинелли, доцент кафедры материаловедения и инженерии и Morris E Прекрасный младший профессор по материалам и производству в Инженерной школе Маккормика, который возглавлял команду. «Мы надеемся, что, сформулировав эти электронные отношения структура-свойство, в будущем могут быть созданы новые переходы в квантовых материалах».

3 декабря в журнале Physical Review Letters была опубликована статья с изложением работы под названием «Проектирование гетероанионной луны, демонстрирующей переход металл-изолятор Пайерлса» . Рондинелли был соавтором статьи вместе с Данило Пуджони, доцентом кафедры материаловедения и инженерии.

Используя квантово-механическое компьютерное моделирование в высокопроизводительном вычислительном кластере Northwestern, Rondinelli и исследователи разработали кристаллическую структуру нового материала, называемого оксинитрид молибдена (MoON), для проведения фазового перехода. Исследователи обнаружили, что MIT произошел около 600 градусов по Цельсию, показывая его потенциал для применения в высокотемпературных датчиках и силовой электронике.

Группа отметила, что несколько параметров проектирования повлияли на фазовый переход MoON. Включение в материал нескольких анионов — в данном случае отрицательно заряженных ионов кислорода и азота — активировало фазовый переход из-за специфических конфигураций электронов, связанных с пространственной ориентацией электронных орбиталей, что подтверждает предыдущие результаты в других материалах двойного MIT. Кроме того, гибкая кристаллическая структура рутила MoON обеспечила обратимость между электропроводящим и изолирующим состояниями.

Полученные данные дают представление о том, как тонкие изменения в наномасштабе можно использовать для контроля макроскопического поведения — например, проводимости — в материалах.

«За последнее десятилетие была проделана значительная работа по изучению материалов MIT и открытию новых; однако в настоящее время известно менее 70 уникальных соединений, которые демонстрируют этот термический переход», — сказал Рондинелли. «Мы включили в наш дизайн ключевые особенности материалов MIT, в том числе особые структурные особенности пикоуровня, а также важную электронную конфигурацию d1. Наш проект позволяет нам и другим сторонам использовать ключевые концепции первого принципа проектирования для расширения фазы MIT. пространство и эффективно преследовать новые материалы MIT. «

Ученые надеются, что, сформулировав эти электронные отношения структура-свойство, в будущем могут быть созданы новые переходы в квантовых материалах. Эти соединения полезны в качестве активного слоя для транзисторов или в приложениях памяти.

«Материалы MIT представляют собой класс фазовых переходов, которые могут обеспечить прогресс в обработке и хранении информации по сравнению с традиционным комплементарным масштабированием металл-оксидный полупроводник в микроэлектронике», — сказал Рондинелли. «Это означает более быстрые устройства с более широкими возможностями хранения. Кроме того, материалы MIT могут обеспечить микроэлектронные системы с низким энергопотреблением, а это означает, что вам придется заряжать устройство реже, так как оно длится дольше, поскольку компоненты требуют меньше энергии».

Работа была поддержана программой MRSEC Национального научного фонда (NSF) (награда № DMR-1720319) в Северо-Западном университете материаловедческого центра и NSF под DMR-1454688. Вычислительные материалы были поддержаны Исследовательским отделом армии через грант W911NF-15-1-0017.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Северо-Западным университетом . Оригинал написан Алексом Гераджем. Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Натан Дж. Шимански, Лорен Н. Уолтерс, Данило Пуджони, Джеймс М. Рондинелли. Конструкция гетероанионной луны, демонстрирующей переход металл-изолятор Пайерлса . Physical Review Letters , 2019; 123 (23) DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.236402