切换标识 革命性的绝缘体状材料也导电

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员制作了一种材料，可以在不改变其原子结构的情况下从导电金属转变为非导电绝缘材料。

“这是一个令人兴奋的发现，”材料科学与工程教授Chang-Beom Eom说。“我们找到了一种新的电子切换方法。”

新材料可为超快电子设备奠定基础。Eom和他的国际合作者团队今天(2018年11月30日)在“科学”杂志上发表了他们的进展详情。

铜或银等金属导电，而橡胶或玻璃等绝缘体不允许电流流动。然而，一些材料可以从绝缘过渡到导电。

这种转变通常意味着材料原子及其导电电子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较小，较轻的电子慢得多。

Eom说，一种可以像金属一样切换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。

“金属对绝缘体的转换对于开关和具有一个或零状态的逻辑器件非常重要，”他说。“我们有可能使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：电子和结构转变是否可以解耦 - 基本上，快速变化的电子能否自行突破并留下原子?

他们使用了一种名为二氧化钒的材料，这种材料在加热时是金属，在室温下是绝缘体。在高温下，构成二氧化钒的原子排列成规则重复的模式，科学家将其称为金红石相。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，没有天然存在的物质导电。当材料达到绝缘体到金属的转变温度时，原子需要时间重新排列。

至关重要的是，二氧化钒在不同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的量。研究人员利用这一事实创造了两层薄薄的二氧化钒 - 一层的转变温度略低于另一层 - 夹在彼此之上，两者之间有明显的界面。

当他们加热薄二氧化钒夹层时，一层使结构开关变成金属。另一层中的原子保持锁定在绝缘单斜相中。然而，令人惊讶的是，该部分材料导电。

最重要的是，材料保持稳定并保持其独特的特性。

虽然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了它们的特性 - 仅仅是飞秒，或者是万亿分之一秒的千分之几。

然而，Eom团队的材料仍然存在。

“我们能够稳定它，使其对真实设备有用，”Eom说。

他们的方法的关键是双层夹层结构。每层都很薄，两种材料之间的界面决定了整个堆栈的表现。这是Eom及其同事计划进一步追求的概念。

“设计界面可以开辟新材料，”Eom说。

威斯康星州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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