开关标志革命性的绝缘体状材料也能导电

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员制造了一种材料，可以在不改变其原子结构的情况下，从导电金属变成不导电的绝缘材料。

“这是一个令人兴奋的发现，”材料科学与工程教授Chang-Beom Eom说。"我们发现了一种新的电子开关方法."

这种新材料可以为超快电子设备奠定基础。Eom和他的国际合作者团队在《今日科学》(2018年11月30日)杂志上发表了他们的进展细节。

铜或银等金属导电，而橡胶或玻璃等绝缘体不允许电流通过。然而，一些材料可以从绝缘转变为导电。

这种转变通常意味着原子及其导电电子在材料中的排列必须以协调的方式改变，但原子跃迁通常比导致电的更小更轻的电子慢得多。

Eom说，一种可以像金属一样开关导电而不移动原子的材料可以大大提高先进设备的开关速度。

“金属到绝缘体的转换对于具有一个或零状态的开关和逻辑器件非常重要，”他说。"我们有可能用这个概念来制造非常快速的开关."

在他们的研究中，Eom和他的合作者回答了一个困扰科学家多年的基本问题：电子和结构变化可以解耦吗——基本上，快速变化的电子可以自行突破并离开原子吗？

他们使用了一种叫做二氧化钒的材料，这种材料加热时是金属，室温下是绝缘体。在高温下，组成二氧化钒的原子以规则重复的模式排列，科学家称之为金红石相。当二氧化钒冷却成绝缘体时，其原子采用不同的模式，称为单斜晶系。

当原子处于单斜构象时，任何自然存在的物质都不导电。当材料达到从绝缘体到金属的转变温度时，原子重新排列需要时间。

至关重要的是，二氧化钒在不同的温度下在金属和绝缘体之间转变，这取决于材料中存在的氧含量。研究人员利用这一事实，创造了两层薄薄的二氧化钒——一层比另一层的转变温度略低——夹在彼此的顶部，它们之间有明显的界面。

当他们加热薄的二氧化钒夹层时，其中一层将结构开关变成金属。另一层中的原子保持锁定在绝缘的单斜相中。然而令人惊讶的是，这部分材料是导电的。

最重要的是，该材料保持稳定，并保持其独特的特征。

尽管其他研究小组已经尝试制造导电绝缘体，但这些材料几乎立即失去特性——只有飞秒，或万亿分之一秒的几千分之一。

不过Eom团队的资料还是有的。

Eom说：“我们能够稳定它，使它对真正的设备有用。”

他们方法的关键是双层夹层结构。每一层都很薄，两种材料的界面决定了整个电堆的性能。这是Eom及其同事计划进一步研究的一个概念。

“设计界面可以打开新材料，”Eom说。

威斯康星校友研究基金会正在协助研究人员提交专利申请。

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