相變在科學(xué)研究中一直是至關(guān)重要的，從水到冰或蒸汽的變化就是一個簡單例子。對于今天的開創(chuàng)性研究來說，一個重要的相變是在被稱為“相關(guān)氧化物”材料中從金屬到絕緣體的相變。

科學(xué)家們通過研究相關(guān)氧化物(導(dǎo)電很少或沒有電阻(類金屬))由于溫度、壓力或其他外場的變化而改變?yōu)椴粚?dǎo)電(絕緣體)時會發(fā)生什么，對超導(dǎo)和磁性等現(xiàn)象有了許多見解。美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室前主任Peter Littlewood和同事們提出：

迄今為止關(guān)于過渡金屬氧化物中金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的最完整圖景。這些相關(guān)氧化物吸引了科學(xué)家，因為它們有許多吸引人的電子和磁性。這種金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的調(diào)諧和控制一直是許多令人興奮的新物理和很有前途材料應(yīng)用的來源，例如低功率和超快微電子。過去，科學(xué)家通常通過添加電子來調(diào)整這種金屬-絕緣體的轉(zhuǎn)變，新研究成果現(xiàn)發(fā)表在《自然》期刊上。之前幾十年的研究表明，調(diào)整氧化物晶體結(jié)構(gòu)中電子不活躍。

但結(jié)構(gòu)重要的‘植物離子’的大小對轉(zhuǎn)變溫度也有很大影響。然而，造成這種效果的原因還沒有得到很好的理解。電子上不活躍的植物離子的大小可以改變發(fā)生金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度，從接近絕對零度到遠(yuǎn)高于室溫的溫度。相變溫度越高，越接近室溫，材料在實際應(yīng)用中就越有吸引力。本研究重點是一類重要的過渡金屬氧化物：鈣鈦礦。與氧一起，這些氧化物結(jié)合了一個電子活性離子和一個電子非活性植物離子。

后一種離子可以是許多稀土元素或堿土金屬中的任何一種。因此，科學(xué)家可以在不改變相關(guān)化學(xué)物質(zhì)的情況下，選擇相對較小或較大的原子尺寸。附圖左側(cè)顯示了鈣鈦礦型過渡金屬氧化物的基本晶體結(jié)構(gòu)。每個單元格(灰色鉆石)有八個邊，氧原子(紅圈)位于六個尖端，過渡金屬(錳或鎳)隱藏在中心。綠色圓圈代表植物離子，或者是稀土，或者是堿土金屬。關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是確定稀土或堿土金屬大小的影響，更改此元素的大小會更改引入到八邊單元中的傾斜角度，如附圖右側(cè)所示。

反過來，增加傾斜角度會導(dǎo)致八邊形單元中的各種變形和移動，由于內(nèi)應(yīng)力，這些單元可能會拉伸、收縮和旋轉(zhuǎn)。正是這些彈性自由度的動態(tài)波動導(dǎo)致了觀察到的熱效應(yīng)，這些熱效應(yīng)發(fā)生的溫度比單純基于電子活性離子早期模型中解釋的溫度要低得多。在上述機(jī)制的基礎(chǔ)上，研究小組能夠構(gòu)建一種理論，捕捉由植物離子大小引起的傾斜角、金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度和鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)無序程度之間的關(guān)系。理論計算相對簡單，在絕對零度到315攝氏度以上的范圍內(nèi)與實驗結(jié)果吻合較好。

重要的是，理論研究不僅適用于一種材料，而且適用于整個類別的材料，并有許多可能的應(yīng)用，包括一些與阿貢正在進(jìn)行和計劃中研究項目相關(guān)的應(yīng)用。例如，在新興的下一代微電子研究領(lǐng)域，金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的改進(jìn)調(diào)諧和控制有望在模擬大腦過程的計算機(jī)低功耗和超高速微電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大飛躍。此外，參與阿貢世界級電池項目的科學(xué)家或許能夠利用這一理論作為靈感，為下一代鋰離子電池設(shè)計更好的正極材料。

博科園｜研究/來自：阿貢國家實驗室

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1824-9

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普