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研究人员开发了与超快电子 电池等相关的新材料理论

长期以来,相变对科学研究至关重要。从水变成冰或蒸汽是一个简单的例子。对于当今开创性研究而言,重要的相变是从金属到绝缘体的材料,即所谓的“相关氧化物”。科学家通过研究当导电的,几乎没有电阻或几乎没有电阻的类似氧化物(金属样)由于温度,压力或温度的变化而变成没有绝缘子(绝缘子)的相关氧化物时,会发生什么,科学家获得了对超导和磁性等现象的许多见解。其他外部领域。

在《自然》杂志的一篇论文中,美国能源部(DOE)阿尔贡国家实验室前主任(2014-2017)彼得·利特伍德(Peter Littlewood)和他的同事们提出了迄今为止关于过渡金属中金属-绝缘体过渡的最完整描述氧化物。这些相关的氧化物因其许多吸引人的电子和磁性而吸引了科学家。

芝加哥大学詹姆斯·弗兰克研究所物理学教授,现任利特伍德说:“对金属-绝缘体过渡的调谐和控制已成为许多令人兴奋的新物理和有希望的材料应用的源泉,例如低功率和超快微电子学。”在Argonne的材料科学部门和法拉第研究所执行主席的联合任命。

吉安·古兹曼·韦里(GianGuzmán-Verri)和理查德·布里尔利(Richard Brierley)也加入了利特伍德的研究项目。Guzmán-Verri以Argonne博士后的身份开始了这项研究,现在是哥斯达黎加大学的教授。Brierley在剑桥大学和耶鲁大学进行博士后任命期间进行了这项研究,现在是《自然通讯》的编辑。

利特伍德说:“过去,科学家通常通过添加电子来调节这种金属-绝缘体转变的方式。” “其他数十年的研究表明,调整氧化物晶体结构中电子惰性但结构上重要的'植物离子'的大小,也对转变温度有很大影响。” 但是,这种效果的原因还没有被很好地理解。

电子惰性植物离子的大小可以改变发生金属-绝缘体转变的温度,从绝对零到远高于室温。转变温度越高,越接近室温,该材料对于实际应用越有吸引力。

该团队的研究重点是一类重要的过渡金属氧化物-钙钛矿。这些氧化物与氧一起结合了电子活性离子和电子惰性植物离子。后者离子可以是许多稀土元素或碱土金属中的任何一种。结果,科学家可以选择其原子大小相对较小或较大而无需更改相关化学。

附图的左侧显示了钙钛矿过渡金属氧化物的基本晶体结构。每个晶胞(灰色菱形)有八个侧面,氧原子(红色圆圈)位于六个顶点,过渡金属(锰或镍)隐藏在中间。绿色圆圈代表植物离子,稀土金属或碱土金属。

作者的关键发现的关键是确定稀土或碱土金属尺寸的影响。更改此元素的大小会更改引入八个侧面单元的倾斜角度,如右图所示。反过来,增加倾斜角度会导致八边形单元发生各种变形和运动,这些变形和运动会由于内部应力而拉伸,收缩和旋转。

利特伍德说:“正是这些弹性自由度的动态波动导致了所观察到的热效应,而这种热效应发生在比单纯基于电子活性离子的早期模型中低得多的温度下。”

基于上述机制,研究小组能够构建一种理论,以捕获由植物离子尺寸引起的倾斜角,金属-绝缘体转变温度和钙钛矿晶体结构的无序度之间的关系。该理论相对简单的计算与从绝对零到华氏600度以上的实验结果非常吻合。

利特伍德说:“重要的是,我们的理论研究不仅适用于单一材料,而且适用于整个材料类别,并具有许多可能的应用,包括与阿贡地区正在进行和计划中的研究计划有关的一些应用。”

例如,在下一代微电子学的新兴研究领域,改进的对金属-绝缘体过渡的调节和控制有望在用于模拟大脑过程的计算机的低功耗和超快微电子学中取得巨大飞跃。

此外,阿贡国家级电池计划的科学家也许能够将这一理论作为灵感,为下一代锂离子电池设计更好的阴极材料。利特伍德(Littlewood)团队的研究灵感来自数十年前约翰·古德诺(John Goodenough)对金属-绝缘体过渡的开拓性研究。古德纳夫将这种理解转化为发明锂离子电池的灵感,今年因其工作获得了诺贝尔化学奖。

Littlewood,Guzmán-Verri和Richard Brierley撰写的Nature论文的标题为“合作弹性波动可调节金属-绝缘体的转变。”

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