Новый материал переключается между электропроводящим и изоляционным состояниями

Новый подход может послужить основой для разработки платформ для квантовых материалов для будущей электроники, а также более быстрых устройств с большими возможностями хранения.

Исследователи Northwestern Engineering разработали новую стратегию проектирования для выявления новых материалов, демонстрирующих переход металл-изолятор (MIT), редкий класс материалов, классифицированных по их способности обратимо переключаться между электропроводящим и изоляционным состояниями.

Новый метод может ускорить будущее проектирование и поставку более быстрой микроэлектроники с более широкими возможностями хранения, а также платформ квантовых материалов для будущей электроники.

«Наш подход использует анионное замещение в атомном масштабе и понимание ключевых свойств MIT для идентификации потенциальных гетероанионных материалов MIT, которые до сих пор широко не рассматривались, - сказал Джеймс Рондинелли (James Rondinelli), доцент кафедры материаловедения и инженерии и профессор по материалам и производству в Инженерной школе Маккормика, который возглавлял команду. - Мы надеемся, что, сформулировав эти электронные отношения структура-свойство, в будущем могут быть созданы новые переходы в квантовых материалах».

Используя квантово-механическое компьютерное моделирование в высокопроизводительном вычислительном кластере Northwestern Quest, Рондинелли и исследователи разработали пикомасштабную кристаллическую структуру нового материала, называемого оксинитрид молибдена (MoON), для проведения фазового перехода. Исследователи обнаружили, что MIT сформировался при температуре около 600 градусов по Цельсию, показывая свой потенциал для применения в высокотемпературных датчиках и силовой электронике.

Группа отметила, что несколько параметров проектирования повлияли на фазовый переход MoON. Включение в материал нескольких анионов - в данном случае отрицательно заряженных ионов кислорода и азота - активировало фазовый переход из-за специфических конфигураций электронов, связанных с пространственной ориентацией электронных орбиталей, что подтверждает предыдущие результаты в других материалах двойного MIT. Кроме того, гибкая кристаллическая структура рутила MoON обеспечила обратимость между электропроводящим и изолирующим состояниями.

Полученные данные дают представление о том, как тонкие изменения в наномасштабе можно использовать для управления макроскопическим поведением - например, проводимости - в материалах.

«За последнее десятилетие была проделана значительная работа по изучению материалов MIT и открытию новых. Однако в настоящее время известно менее 70 уникальных соединений, которые демонстрируют этот термический переход, - сказал Рондинелли. - Мы внедрили в наш дизайн ключевые особенности материалов MIT, в том числе особые структурные особенности пикомасштаба, а также критическую электронную конфигурацию d1. Наш проект позволяет нам и другим людям использовать концепции проектирования из основных принципов для расширения фазового пространства MIT. пространство и эффективно разрабатывать новые материалы MIT».

Ученые надеются, что, сформулировав эти электронные отношения структура-свойство, в будущем могут быть созданы новые переходы в квантовых материалах. Эти соединения полезны в качестве активного слоя для транзисторов или в приложениях памяти.

«Материалы MIT представляют собой класс фазовых переходов, которые могут обеспечить прогресс в обработке и хранении информации по сравнению с традиционным комплементарным масштабированием КМОП в микроэлектронике, - сказал Рондинелли. - Это означает более быстрые устройства с более широкими возможностями хранения. Кроме того, материалы MIT могут обеспечить микроэлектронные системы с низким энергопотреблением, а это означает, что вам придется заряжать устройство реже, так как оно работает дольше, поскольку компоненты требуют меньше энергии».

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365