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宾夕法尼亚州立大学领导的最新研究表明，在半导体设计中经常被忽视的基板，与半导体类似，积极参与电子工艺。这一发现以二氧化钒和二氧化钛之间的相互作用为中心，可能会彻底改变未来电子设备的设计和效率。

新的研究表明，传统上在计算机芯片设计中被忽视的材料对于处理信息至关重要。这一突破可以为更快、更高效的电子产品铺平道路。利用先进的成像技术，由宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个国际团队发现，半导体芯片设备所依赖的材料对电力变化的响应与其顶部的半导体非常相似。

研究人员研究了半导体材料二氧化钒，他们说这种材料显示出作为电子开关的巨大潜力。他们还研究了二氧化钒如何与基底材料二氧化钛相互作用，并表示他们惊讶地发现基底中似乎有一个有源层，当半导体在绝缘体之间切换时，其行为与其顶部的半导体材料类似——不让电流流动——而金属——让电流流动。研究负责人、宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程和物理学教授文卡特拉曼·戈帕兰 表示，基板在半导体工艺中发挥积极作用的发现对于设计未来的材料和器件具有重要意义。

二氧化钒的潜力

“为了跟上摩尔定律，需要新的想法来制造更小、更快的电子产品，”《先进材料》研究的通讯作者戈帕兰说。“正在追求的一个想法是二氧化钒等材料，可以在万亿分之一秒内在金属和绝缘体(零态)之间切换。这被称为经历金属-绝缘体转变。”

Gopalan 表示，二氧化钒作为金属到绝缘体晶体管的潜力已得到充分证明，并且由于其能耗低，该材料被认为在半导体技术方面很有前景。然而，这种材料的特性仍然没有被完全理解，到目前为止，它通常是单独观察的，而不是在真实设备中运行时观察的。

二氧化钒具有强烈相关的电子效应，这意味着电子之间的排斥会干扰设备，因此不能像目前硅基电子产品中那样被忽视。这种特性可以使材料具有新颖的功能，例如高温超导性和增强的磁性。

“人们对这种材料的基本物理原理知之甚少，其在设备几何形状中的性能更是知之甚少，”戈帕兰说。“如果我们能让它们发挥作用，电子学将会复兴。特别是神经形态计算——从具有神经元的生命系统的大脑中获取灵感的计算机系统——可以通过使用此类设备而受益匪浅。”

先进的成像和令人惊讶的发现

该团队在设备中而不是孤立地研究二氧化钒，向其施加电压以使其从绝缘状态转变为导电状态。他们使用阿贡国家实验室的先进光子源 ，该实验室使用强大的 X 射线束在原子水平上研究材料的行为和结构。当绘制材料对切换事件的空间和时间响应时，研究人员观察到材料和基材的结构发生了意想不到的变化。

“我们发现，当二氧化钒薄膜变成金属时，整个薄膜通道会凸起，这非常令人惊讶，”戈帕兰说。“通常情况下它应该缩小。很明显，薄膜几何结构中还发生了一些以前被忽略的事情。”

APS X 射线穿透二氧化钒薄膜并进入薄膜生长的二氧化钛 基板(通常被认为是电气和机械被动材料)。

“我们非常惊讶地发现，当电脉冲到达时，当薄膜从绝缘体切换到金属并返回时，这种基板非常活跃，以完全令人惊讶的方式抖动和响应，”戈帕兰说。“这就像是尾随狗摇，难倒了我们好久。这一令人惊讶且之前被忽视的观察结果完全改变了我们看待这项技术的方式。”

理论见解和合作发现

为了理解这些发现，由宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系哈默教授、工程科学与力学和数学教授陈龙庆领导的理论和模拟工作开发了一个理论框架来解释整个过程薄膜和基材膨胀而不是收缩。当他们的模型将自然存在的缺失氧原子纳入这种带电和不带电两种材料中时，实验结果就可以得到令人满意的解释。

戈帕兰说:“这些中性氧空位含有两个电子，当材料从绝缘体转变为金属时，它们可以释放这些电子。” “留下的氧空位现在带电并膨胀，导致设备中观察到令人惊讶的膨胀。这也可能发生在基材中。所有这些物理过程都在陈教授小组的博士后尹石首次在这项工作中进行的相场理论和建模中得到了完美的捕捉。”

Gopalan 将这一新的认识归功于多学科团队在材料生长、合成、结构分析和同步加速器光束线操作方面的综合专业知识。研究人员采用由美国陆军物理科学家、主要实验作者 Greg Stone 和宾夕法尼亚州立大学博士后学者、主要理论作者 Yin Chi 领导的合作方法，解开了材料的响应，并使用相场单独观察它们模拟，通过在虚拟环境中描绘物质的各种状态来帮助科学家了解材料随时间的变化。

柏林保罗·德鲁德固体电子研究所所长罗曼·恩格尔-赫伯特 表示:“通过将这些专家聚集在一起并汇集我们对问题的理解，我们能够远远超出我们个人的专业知识范围并发现新的东西。”德国，该研究的合著者，他的团队与康奈尔大学达雷尔·施洛姆的团队一起制作了这些电影。“认识到功能材料的潜力需要了解其更广泛的背景，就像复杂的科学挑战只能通过扩大我们的个人视角来解决一样。”

这种合作使得在短时间内取得了显着的进展，并在更短的时间内完成了工作，并带来了来自多个学科的各种观点。

研究人员表示，这些反应本身需要进一步研究，但他们相信，了解它们将有助于识别二氧化钒以前未知的功能，包括在本研究之前被认为是被动的 TiO2 基材中潜在的尚未发现的现象。戈帕兰指出，这项研究本身已经进行了十多年，包括验证结果。

“这就是从有趣的科学到可以握在手掌上的工作设备所需要的，”戈帕兰说。“实验和理论很复杂，需要大规模协作团队在较长时间内密切合作，以解决可能产生重大影响的难题。我们希望并期望这将加速新一代电子设备的进步。”

参考文献:

Greg Stone、Yin Shi、Matthew Jerry、Vladimir Stoica、Hanjong Paik、Zhonghou Cai、Darrell G. Schlom、Roman Engel 的“绝缘体到金属转变过程中耦合薄膜-基底弹性动力学的操作中时空成像” Herbert、Suman Datta、Haidan Wen、Long-Qing Chen 和 Venkatraman Gopalan，2024 年 3 月 5 日，先进材料。

DOI:10.1002/adma.202312673

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