电压控制的可切换材料可以启用新的内存芯片

点击次数:2   更新时间:2018-05-15   【关闭

一种新的薄膜材料,其相和电性能可在金属和半导体之间切换,可能导致新的存储器芯片设计。 / em

两位麻省理工学院的研究人员已经开发出一种薄膜材料,其相和电特性可以通过施加小电压而在金属和半导体之间切换。然后材料保持其新配置,直到被另一电压切换回来。这一发现可能为一种新型的“非易失性”计算机存储器芯片铺平道路,该芯片可在电源关闭时保留信息,并用于能量转换和催化应用。

研究结果在麻省理工学院材料科学研究生祁启洋和副教授比尔吉耶尔德兹的论文“纳米快报”中发表,其中包括称为锶辉钴矿或SrCoOx的薄膜材料。

通常,Yildiz说,材料的结构阶段是由其成分,温度和压力控制的。 “这是第一次,”她说,“我们证明电偏置可以引起材料中的相变。实际上,我们通过改变SrCoOx中的氧含量来实现这一目标。“

“它有两种不同的结构,取决于它包含的每单元电池有多少氧原子,而这两种结构具有完全不同的性质,”Lu解释道。

分子结构的这些配置之一称为钙钛矿,另一种称为棕色菱铁矿。当有更多的氧气存在时,它形成钙钛矿紧密封闭的笼状晶体结构,而较低浓度的氧气则产生更加开放的褐铁矿结构。

这两种形式具有非常不同的化学,电学,磁学和物理性质,Lu和Yildiz发现,只需要30毫伏(0.03伏)的电压就可以在两种形式之间翻转材料。而且,一旦改变,新的配置保持稳定,直到它被第二次施加电压反转。

锶钴酸盐仅仅是被称为过渡金属氧化物的一类材料的一个例子,其被认为是有希望用于各种应用,包括燃料电池中的电极,允许氧气通过以进行气体分离的膜以及电子器件例如忆阻器 - 一种非易失性,超快速和高能效的存储器件。研究人员说,通过使用微小的电压触发这种相变的能力可以为这些材料开辟许多用途。

之前有关锶钴酸盐的工作依赖于周围气体氛围中氧气浓度的变化来控制材料将采用的两种形式中的哪一种,但这本质上是一个更慢和更难控制的过程,Lu说。 “所以我们的想法是,不要改变气氛,只要施加电压。”

“电压改变了材料所面临的有效氧气压力,”Yildiz补充道。为了做到这一点,研究人员将一层非常薄的材料(棕色菱铁矿相)沉积到基底上,为此他们使用了钇稳定的氧化锆。

在该设置中,施加电压将氧原子驱入材料中。施加相反的电压具有相反的效果。为了观察和证明材料在施加电压时确实经历了这种相变,团队在麻省理工学院材料科学与工程中心使用了一种称为原位X射线衍射的技术。

去年,橡树岭国家实验室的科学家开发了通过改变环境中的气体压力和温度在两相之间切换这种材料的基本原理。 “有趣的是,这不是控制设备性能的实用手段,”Yildiz说。在他们目前的工作中,麻省理工学院的研究人员通过施加电荷,以实用的方式控制了这类材料的相位和电性能。

Lu说,除了存储器件之外,该材料最终还可以用于锂离子电池的燃料电池和电极。

“我们的工作通过引入电偏置作为控制活性材料相位的方法,并为这种新型能源和信息处理设备奠定基础科学基础而作出了重要贡献,”Yildiz补充道。

在正在进行的研究中,该小组正在努力更好地了解不同结构中材料的电子属性,并与麻省理工学院教授哈利·杜勒(Harry Tuller)合作,将此方法扩展到其他有关记忆和能量应用的氧化物。

没有参与这项研究的西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所的纳米材料生长部门领导JoséSantiso称这对研究这类有趣的材料“非常重要的贡献”,并说“它为这些材料在固态电化学器件中的应用铺平了道路,以便有效地转换能量或氧气储存,以及在新型存储器件中的可能应用中。“

这项工作得到了国家科学基金会的支持。

出版物:Qiyang Lu和Bilge Yildiz,“由原位X射线衍射监测的薄膜SrCoOx中的电压控制的拓扑相变”,Nano Letters,2016; DOI:10.1021 / acs.nanolett.5b04492

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler