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用于更高效电子产品的人造材料

人工智能 2021-06-30 15:52:05

在新型人造材料中发现了前所未有的物理效应,标志着开发“定制”材料和更节能电子产品的漫长过程中的一个重要里程碑。今天的硅基电子产品消耗了大量且不断增加的世界能源份额。许多研究人员正在探索材料的特性它们比硅更复杂,但对未来的电子设备显示出前景——而且耗电更少。为了与这种方法保持一致,日内瓦大学 (UNIGE) 的科学家一直与洛桑瑞士联邦理工学院 (EPFL)、苏黎世大学、纽约熨斗研究所和列日大学合作。科学家们在由非常薄的镍酸盐层组成的人造材料中发现了一种迄今为止未知的物理现象。这可以用来精确控制材料的一些电子特性,例如从导电状态到绝缘状态的突然转变。它还可以用于开发新的、更节能的设备。您可以在期刊中阅读有关这项技术进步的信息自然材料。

“镍酸盐以其特殊特性而闻名:当它们的温度升高到某个阈值以上时,它们会突然从绝缘状态转变为电导体状态,”UNIGE 学院量子物质物理系教授 Jean-Marc Triscone 开始说道。科学。“这种转变温度根据材料的成分而变化。”

镍酸盐是由氧化镍加上属于所谓的“稀土”元素(即周期表中的 17 种元素)的原子形成的。例如,当这种稀土是钐 (Sm) 时,金属绝缘体跳跃发生在 130°C 左右,而如果是钕 (Nd),则阈值下降到 -73°C。这种差异的原因是,当 Sm 被 Nd 取代时,化合物的晶体结构发生变形——正是这种变形控制了转变温度的值。

为了更多地了解这些材料,日内瓦的科学家们研究了由沉积在镍酸钕层上的重复镍酸钐层组成的样本——一种所有原子都完美排列的“超级三明治”。

表现得像单一材料

量子物质物理系研究员、该文章的第一作者 Claribel Domínguez 解释说:“当层很厚时,它们会独立运行,每个层都保持自己的转变温度。奇怪的是,当我们对层进行细化直到每个不超过 8 个原子,整个样品开始表现得像一种材料,在中间转变温度下,电导率只有一次大的跳跃。”

EPFL 的电子显微镜进行的一项非常详细的分析——得到美国和比利时同事的复杂理论发展的支持——表明材料之间界面处的晶体结构变形的传播仅发生在两个或三个原子层中. 因此,并不是这种失真解释了观察到的现象。实际上,就好像最远的层以某种方式知道它们非常靠近界面,但没有发生物理变形。

这不是魔法

“这并没有什么神奇之处,”量子物质物理系研究员、该文章的合著者詹妮弗·福利 (Jennifer Fowlie) 说。“我们的研究表明,保持导电区域和绝缘区域之间的界面,就像我们的样品一样,在能量方面非常昂贵。因此,当两层足够薄时,它们能够采用更少的能量能量密集型行为,包括成为单一材料,完全金属或完全绝缘,并具有共同的转变温度。所有这些都发生在没有改变晶体结构的情况下。这种效应或耦合是前所未有的。”

由于瑞士国家科学基金会和 Q-MAC ERC Synergy Grant(量子材料控制前沿)提供的支持,这一发现成为可能。它提供了一种控制人造电子结构特性的新方法,在这种情况下,日内瓦研究人员在其复合镍酸盐中获得了电导率的跳跃,这代表了开发新电子设备的重要一步。镍酸盐可用于压电晶体管(对压力起反应)等应用。

更一般地说,日内瓦的工作符合“按设计”生产人造材料的策略,即具有满足特定需求的特性。世界各地的许多研究人员都在遵循这条道路,为未来的节能电子产品带来希望。

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