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金属氧化物中的缺陷可能是其性能的关键

2018-05-14
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在该图中,描绘了氧化钡晶体的原子晶格,氧原子和钡原子由红色和灰色球体表示。一个中性氧空位,一个氧原子出现在晶格中,但被两个电子替代的地方,由黄色的形状表示,它描绘了那些电子的电荷密度。在左边,看到没有施加电场的晶体,在右边,每厘米21.8兆伏的施加电场。晶格的扭曲揭示了所施加的电场的影响。

em一项新发表的研究详细介绍了金属氧化物中的缺陷如何成为各种高科技应用性能的关键。 / em

有时候技术上缺陷的东西,比如材料晶格中的缺陷,实际上会产生属性的变化,从而开辟新的有用的应用。麻省理工学院一个团队的一项新研究表明,一类被称为绝缘金属氧化物的材料中的这种缺陷可能是其各种高技术应用(如非易失性存储器芯片和能量转换技术)性能的关键。

本周发表在“物理评论快报”杂志上的一篇论文中,MIT的副教授Bilge Yildiz,教授兼副教务长Krystyn Van Vliet和前博士后Mostafa Youssef。

这些金属氧化物材料已被许多研究人员研究过,Yildiz说,“它们的性质受到存在的缺陷种类和数量的严格控制。”当受到强大的驱动力,如强电场时,“行为的这些缺陷尚未得到很好的理解,“她说。

研究人员对这些绝缘金属氧化物的完美结构形式如何在各种条件下(如强电场)具有良好的理论认识,但对于含有常见类型缺陷的材料没有这样的理论来描述,根据Yildiz。为了开发这种有前景的材料系列,定量理解这些影响是非常重要的,这些材料可用于潜在应用,包括新型低能量计算机内存和处理设备,电气制冷以及电催化能量转换设备,如燃料电池。

该团队展示了一个理论框架,并展示了强电场下点缺陷的稳定性和结构如何变化。他们采取了一个共同的缺陷,称为中性氧空位 - 一个氧原子应该出现在晶格中,而两个电子被捕获的地方。他们的结果已经量化了在电场中具有该缺陷的材料的极化行为。

Yildiz说:“氧空位尤其在电子和电化学应用中非常重要,”他在核科学与工程和材料科学与工程系联合任命。

她说,在许多这些应用中,薄膜材料内可能会产生内部电压梯度,而这种“电势”梯度会导致强电场。了解这些领域的影响对于某些新设备的设计至关重要。

“这个领域的大部分工作都是实验性的,”Yildiz说。 “你拿一个薄膜,把它放在电场里,然后做测量。”但是在这样的实验中,局部电势和电场的影响很复杂,使得很难理解结果。 “她补充说,”要解决这些问题是不可能的,所以你需要有一个理论来解释这些影响。“

研究人员现在设计了一个新的理论框架,使他们能够将电场效应与电势效应隔离开来,并独立量化。这使得他们能够做出非常具体的预测,这些预测与经典理论所产生的预测不同,并且应该可以在一年内通过实验验证新模型,Yildiz说。

她说,研究结果应该有助于开发一些重要的潜在应用。一种是采用称为电阻切换存储器的新型计算机存储设备,它使用非常少的能量提供快速切换速度。这些存储设备依赖于缺陷的存在。

她说:“他们改变电阻状态(记录数据)的方式取决于缺陷类型,内容和分布。 “为了对器件行为进行建模,您应该能够模拟施加的强电场如何改变缺陷结构,浓度和分布。”这就是这项新工作所能做到的:“如果您从数量上知道电势的影响和现场,那么你可以设计你的操作条件,从这些效果中受益。“

理解这些效应对于其他应用也很重要,例如分裂水分子以在固液界面处产生氢气,依赖于氧化物 - 氧化物界面的电子器件或其他使用这些材料作为催化剂的电化学工艺,其中缺陷用作启用交互。

该团队研究的材料属于一种被称为碱土金属二元氧化物的类别,其成分是“地球上最丰富的材料类别之一”,Yildiz说。 “[这个班级]价格便宜,资源丰富,而且具有可调的性能,”这使得它在许多应用中都很有前途。但她补充说,他们所采用的理论方法现在将更广泛地应用于许多其他种类的氧化物材料以及除了中性氧空位之外的其他种类的缺陷。

“这项工作为研究半导体中的缺陷奠定了新的模式,通过建立必要的数学计算电刺激缺陷晶体中的缺陷形成能,”Cesare Franchini说,他是大学计算材料物理学副教授维也纳,谁没有参与这项工作。 “这项工作扩展了目前将热力学与电极化联系起来的理论,并且对几乎所有的缺陷(以及电刺激可调性)都是资产的应用都是有益的,包括催化,电子和电热设备。”

该研究得到美国国家科学基金会MRSEC计划的支持,并且利用美国能源部科学办公室支持的美国国家能源研究科学计算中心的资源,能源部科学用户设施办公室。

出版物:Mostafa Youssef等人,“在高电场下绝缘金属氧化物中的极化氧空位”,Phys。 Rev. Lett。 119,126002,2017; DOI:10.1103 / PhysRevLett.119.126002

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler