金屬氧化物缺陷的拓展應(yīng)用——電子裝置及能量

 

 

 

　　【圖注】該圖解描述了氧化鋇晶體的原子晶格，氧原子和鋇原子由紅色和灰色球體表示。中性氧空位由黃色表示，可理解為一個(gè)氧原子本應(yīng)出現(xiàn)在晶格中，但卻被兩個(gè)電子所代替，其代表了那些電子的電荷密度。左邊是沒有施加電場的晶體，右邊是施加21.8兆伏每厘米的電場，這個(gè)晶格的變形揭示了施加電場對晶體的影響。

 

　　理論上存在缺陷的東西，例如材料晶格中的缺陷，實(shí)際上可以通過改變性質(zhì)開放出新型應(yīng)用。麻省理工學(xué)院研究小組的一項(xiàng)新研究表明，絕緣金屬氧化物的缺陷可能是其各種高科技應(yīng)用(如非易失性存儲器芯片和能量轉(zhuǎn)換技術(shù))的關(guān)鍵。Yildiz說，“這些金屬氧化物材料已被充分進(jìn)行研究過，它們的性質(zhì)受到存在缺陷的數(shù)量和種類的高度限制。當(dāng)受到強(qiáng)電場等強(qiáng)烈的驅(qū)動(dòng)力影響時(shí)，這些缺陷的行為并未得到全面分析。”

 

　　研究人員對絕緣金屬氧化物的完美結(jié)構(gòu)，及其在各種條件下，如在強(qiáng)電場中的性能有著全面的理論認(rèn)識，但當(dāng)它們存在常見類型的缺陷時(shí)，并沒有發(fā)現(xiàn)此類理論基礎(chǔ)。為了開發(fā)這種有前景的潛在應(yīng)用材料，包括新型的低能量計(jì)算機(jī)存儲器和電子處理器件、電制冷和電催化能量轉(zhuǎn)換器件(例如燃料電池)，這些缺陷性能的合理應(yīng)用是非常重要的。該團(tuán)隊(duì)闡明了一個(gè)理論框架，并展示了在強(qiáng)電場下點(diǎn)缺陷的穩(wěn)定性及其結(jié)構(gòu)的變化形式。他們采取了一種常見的缺陷，稱為中性氧空位缺陷，即氧原子本應(yīng)出現(xiàn)在晶格中，但卻被兩個(gè)電子所取代。這將使其在電場中量化了具有該缺陷材料的極化行為。

 

　　Yildiz在核科學(xué)和工程與材料科學(xué)與工程部門任職期間說：“氧氣空位在電子和電化學(xué)應(yīng)用中極其重要。在許多這些應(yīng)用中，薄膜材料內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部電壓梯度，這種‘點(diǎn)位’梯度會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電場。深入挖掘這些領(lǐng)域的應(yīng)用對于某些新設(shè)備的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這個(gè)領(lǐng)域的大部分工作都是實(shí)驗(yàn)性的，”Yildiz說道，“你得到一片薄膜，把它放在一個(gè)電場中，隨后進(jìn)行測量。”但是在這樣的實(shí)驗(yàn)中，局部電位和電場的影響非常復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人難以理解。她補(bǔ)充說：“這是無法自動(dòng)闡明的，所以需要有理論來解釋此項(xiàng)應(yīng)用。”因此研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)新的理論框架，允許它們從電位效應(yīng)中分離出電場效應(yīng)，并獨(dú)立量化。這使得他們能夠做出比古典理論更為具體的預(yù)測，并且將在一年內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此項(xiàng)新模型。

 

　　Yildiz認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)調(diào)查結(jié)果應(yīng)有助于開發(fā)一些重要的潛在應(yīng)用。比如一種電阻式開關(guān)存儲器的新型計(jì)算機(jī)存儲器件，其僅用極少的能量來提供快速的開關(guān)速度。由此可見，這些存儲器件高度依賴缺陷的存在。她說：“他們切換阻力狀態(tài)(如記錄數(shù)據(jù))的方式取決于缺陷類型，內(nèi)容和分布。為了對設(shè)備進(jìn)行建模，您應(yīng)該如何改變應(yīng)用的強(qiáng)電場缺陷結(jié)構(gòu)，集中度和分布情況。”只有定量了解了潛在的應(yīng)用情況，那么您便可以設(shè)計(jì)您的操作條件，這項(xiàng)新工作便可以使你從此類應(yīng)用效果中受益頗多。了解這些應(yīng)用對其他領(lǐng)域也是非常重要的，例如在固-液界面處分裂水分子產(chǎn)生氫，依靠氧化物-氧化物界面的電子器件，或使用這些材料作為催化劑的其他電化學(xué)過程，這其中的缺陷可產(chǎn)生交互作用。

 

　　本次研究的材料屬于堿土金屬二元氧化物，其成分是地球上最豐富的材料之一，它便宜，豐富，具有可調(diào)性，使其有廣闊的應(yīng)用前景。但Yildiz補(bǔ)充解釋道，除了中性氧空位之外，他們所采用的理論方法將更廣泛地應(yīng)用于許多其他類型的氧化物材料和其他類型的缺陷。維也納大學(xué)計(jì)算材料物理學(xué)副教授Cesare Franchini說：“這項(xiàng)工作為半導(dǎo)體缺陷的研究建立了一個(gè)新范例，通過建立必要的數(shù)學(xué)計(jì)算，使用電刺激缺陷晶體并使其形成能量。”這項(xiàng)工作擴(kuò)展了目前的熱力學(xué)與電極化聯(lián)系的理論，并且將有助于大部分的缺陷應(yīng)用，其中的缺陷(電刺激的可調(diào)性)是一項(xiàng)資產(chǎn)，它可涵蓋催化，電子和電熱裝置等領(lǐng)域。

 

　　原文鏈接：New analysis explains role of defects in metal oxides | MIT News