麻省理工學院研究團隊：金屬氧化物缺陷的拓展應用——電子裝置及能量轉換

【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，可理解為一個氧原子本應出現在晶格中，但卻被兩個電子所代替，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，實際上可以通過改變性質開放出新型應用。麻省理工學院研究小組的一項新研究表明，絕緣金屬氧化物的缺陷可能是其各種高科技應用（如非易失性存儲器晶元和能量轉換技術）的關鍵。Yildiz說，「這些金屬氧化物材料已被充分進行研究過，它們的性質受到存在缺陷的數量和種類的高度限制。當受到強電場等強烈的驅動力影響時，這些缺陷的行為並未得到全面分析。」

研究人員對絕緣金屬氧化物的完美結構，及其在各種條件下，如在強電場中的性能有著全面的理論認識，但當它們存在常見類型的缺陷時，並沒有發現此類理論基礎。為了開發這種有前景的潛在應用材料，包括新型的低能量計算機存儲器和電子處理器件、電製冷和電催化能量轉換器件（例如燃料電池），這些缺陷性能的合理應用是非常重要的。該團隊闡明了一個理論框架，並展示了在強電場下點缺陷的穩定性及其結構的變化形式。他們採取了一種常見的缺陷，稱為中性氧空位缺陷，即氧原子本應出現在晶格中，但卻被兩個電子所取代。這將使其在電場中量化了具有該缺陷材料的極化行為。

Yildiz在核科學和工程與材料科學與工程部門任職期間說：「氧氣空位在電子和電化學應用中極其重要。在許多這些應用中，薄膜材料內部可能會產生內部電壓梯度，這種『點位』梯度會產生強電場。深入挖掘這些領域的應用對於某些新設備的設計至關重要。這個領域的大部分工作都是實驗性的，」Yildiz說道，「你得到一片薄膜，把它放在一個電場中，隨後進行測量。」但是在這樣的實驗中，局部電位和電場的影響非常複雜，實驗結果令人難以理解。她補充說：「這是無法自動闡明的，所以需要有理論來解釋此項應用。」因此研究人員設計了一個新的理論框架，允許它們從電位效應中分離出電場效應，並獨立量化。這使得他們能夠做出比古典理論更為具體的預測，並且將在一年內通過實驗驗證此項新模型。

Yildiz認為，實驗調查結果應有助於開發一些重要的潛在應用。比如一種電阻式開關存儲器的新型計算機存儲器件，其僅用極少的能量來提供快速的開關速度。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（如記錄數據）的方式取決於缺陷類型，內容和分布。為了對設備進行建模，您應該如何改變應用的強電場缺陷結構，集中度和分布情況。」只有定量了解了潛在的應用情況，那麼您便可以設計您的操作條件，這項新工作便可以使你從此類應用效果中受益頗多。了解這些應用對其他領域也是非常重要的，例如在固-液界面處分裂水分子產生氫，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過程，這其中的缺陷可產生交互作用。

本次研究的材料屬於鹼土金屬二元氧化物，其成分是地球上最豐富的材料之一，它便宜，豐富，具有可調性，使其有廣闊的應用前景。但Yildiz補充解釋道，除了中性氧空位之外，他們所採用的理論方法將更廣泛地應用於許多其他類型的氧化物材料和其他類型的缺陷。維也納大學計算材料物理學副教授Cesare Franchini說：「這項工作為半導體缺陷的研究建立了一個新範例，通過建立必要的數學計算，使用電刺激缺陷晶體並使其形成能量。」這項工作擴展了目前的熱力學與電極化聯繫的理論，並且將有助於大部分的缺陷應用，其中的缺陷（電刺激的可調性）是一項資產，它可涵蓋催化，電子和電熱裝置等領域。

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