新型薄膜材料 或可用于存儲芯片和燃料電池

兩位MIT研究人員研發了一種新型薄膜材料，僅需微小的電壓即可實現金屬和半導體之間的轉變。而且在給予另一個電壓之前，材料將穩定保持轉變后的性能。新發現或為研發存儲信息的新一代電腦芯片，以及能量轉換和催化劑等方面應用提供思路。

這張圖片展示的是如何使用電源電壓改變鍶輝鈷礦中的氧濃度以及相結構，泵氧從左邊的鈣鐵石材料轉移至右邊的鈣鈦礦。（圖片由研究人員提供）

該項研究成果由MIT材料科學研究生Qiyang Lu和副教授Bilge Yildiz完成，并已發表在Nano Letter上。

Yildiz說道：“通常一種材料的相結構是由它的成分，溫度和壓力來控制的。現在我們首次證明了電也可以誘導材料的相轉變，并且我們通過改變鍶輝鈷礦中的氧含量證明了這個觀點。”

Lu解釋道：“依據每個晶胞單元中的氧原子含量，鍶輝鈷礦有兩種不同的結構，這兩種結構有著不同的性能。”

這兩種分子結構形態的其中一種叫做鈣鈦礦，另外一種叫做鈣鐵石。當氧含量高的時候，它形成鈣鈦礦那種結構緊實的籠狀晶體結構，然而當氧含量低的時候，它形成鈣鐵石那種更加疏松型的結構。

這兩種形態有著非常不同的化學性質、電磁性和物理性質。Lu和Yildiz發現，這種材料可以通過一個微弱的電壓（僅僅0.03V）實現其在兩種形態之間快速地轉變，并且一旦發生轉變，這個新的形態就會穩定存在，直到第二次電壓的參與，才能使它轉變回之前的形態。

在眾所周知的一系列可轉變金屬氧化物中，鍶輝鈷礦只是其中的一種。這些可轉變金屬氧化物可以有很多的應用，包括作為燃料電池電極材料，用于氣體分離的氧透過膜以及一些電子器件，比如記憶電阻——一種非揮發性，超速而且儲能效率很高的存儲器件。研究人員說道，這種通過使用微弱電壓觸發相轉變的能力可以使得這種材料具備很大的應用前景。

在之前關于鍶輝鈷礦的研究中，研究人員們更多的是通過改變周圍氣體氛圍中的氧含量來控制材料兩種形態之間的轉換，但是那種方法的效率非常低并且過程很難控制，Lu說：“因此我們的方法就是不改變氣體氛圍，僅僅通過使用電壓去改變材料的形態。”

“電壓改變材料表面的有效氧壓力，”Yildiz補充道，“為了實現這一點，研究人員把一個鈣鐵石相結構的薄片放置在一個基板上，基板材料使用的是氧化釔穩定的氧化鋯。

在上述設置完成之后，用電壓驅使氧原子進入材料，使用反向的電壓便會產生相反的影響，即驅使氧原子從材料內部析出。為了觀察并證明在使用電壓之后，材料確實發生了相轉變，團隊使用了在麻省理工大學材料科學與工程學院的原位X射線衍射的技術。

通過改變環境中的氣壓和溫度實現兩相轉變的基本原理已在去年由橡樹嶺國家實驗室的科研人員詮釋的。不過，Yildiz介紹“那并沒有在實際操作中實現。而MIT的研究人員已通過改變電壓在實際中實現了相變和電性能的轉變。

Lu認為，除了作為記憶設備之外，該材料或許還可以在燃料電池和鋰離子電池的電極中找到用武之地。

研究團隊計劃通過研究更好地理解材料不同結構下的電性能，并將這種材料推廣到存儲和能源應用。

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素材：顧玥；翻譯：劉宇龍；審核：張虹雨

材料牛編輯整理。