麻省理工学院研究团队：金属氧化物缺陷的拓展应用——电子装置及能量转换

【图注】该图解描述了氧化钡晶体的原子晶格，氧原子和钡原子由红色和灰色球体表示。中性氧空位由黄色表示，可理解为一个氧原子本应出现在晶格中，但却被两个电子所代替，其代表了那些电子的电荷密度。左边是没有施加电场的晶体，右边是施加21.8兆伏每厘米的电场，这个晶格的变形揭示了施加电场对晶体的影响。

理论上存在缺陷的东西，例如材料晶格中的缺陷，实际上可以通过改变性质开放出新型应用。麻省理工学院研究小组的一项新研究表明，绝缘金属氧化物的缺陷可能是其各种高科技应用（如非易失性存储器芯片和能量转换技术）的关键。Yildiz说，“这些金属氧化物材料已被充分进行研究过，它们的性质受到存在缺陷的数量和种类的高度限制。当受到强电场等强烈的驱动力影响时，这些缺陷的行为并未得到全面分析。”

研究人员对绝缘金属氧化物的完美结构，及其在各种条件下，如在强电场中的性能有着全面的理论认识，但当它们存在常见类型的缺陷时，并没有发现此类理论基础。为了开发这种有前景的潜在应用材料，包括新型的低能量计算机存储器和电子处理器件、电制冷和电催化能量转换器件（例如燃料电池），这些缺陷性能的合理应用是非常重要的。该团队阐明了一个理论框架，并展示了在强电场下点缺陷的稳定性及其结构的变化形式。他们采取了一种常见的缺陷，称为中性氧空位缺陷，即氧原子本应出现在晶格中，但却被两个电子所取代。这将使其在电场中量化了具有该缺陷材料的极化行为。

Yildiz在核科学和工程与材料科学与工程部门任职期间说：“氧气空位在电子和电化学应用中极其重要。在许多这些应用中，薄膜材料内部可能会产生内部电压梯度，这种‘点位’梯度会产生强电场。深入挖掘这些领域的应用对于某些新设备的设计至关重要。这个领域的大部分工作都是实验性的，”Yildiz说道，“你得到一片薄膜，把它放在一个电场中，随后进行测量。”但是在这样的实验中，局部电位和电场的影响非常复杂，实验结果令人难以理解。她补充说：“这是无法自动阐明的，所以需要有理论来解释此项应用。”因此研究人员设计了一个新的理论框架，允许它们从电位效应中分离出电场效应，并独立量化。这使得他们能够做出比古典理论更为具体的预测，并且将在一年内通过实验验证此项新模型。

Yildiz认为，实验调查结果应有助于开发一些重要的潜在应用。比如一种电阻式开关存储器的新型计算机存储器件，其仅用极少的能量来提供快速的开关速度。由此可见，这些存储器件高度依赖缺陷的存在。她说：“他们切换阻力状态（如记录数据）的方式取决于缺陷类型，内容和分布。为了对设备进行建模，您应该如何改变应用的强电场缺陷结构，集中度和分布情况。”只有定量了解了潜在的应用情况，那么您便可以设计您的操作条件，这项新工作便可以使你从此类应用效果中受益颇多。了解这些应用对其他领域也是非常重要的，例如在固-液界面处分裂水分子产生氢，依靠氧化物-氧化物界面的电子器件，或使用这些材料作为催化剂的其他电化学过程，这其中的缺陷可产生交互作用。

本次研究的材料属于碱土金属二元氧化物，其成分是地球上最丰富的材料之一，它便宜，丰富，具有可调性，使其有广阔的应用前景。但Yildiz补充解释道，除了中性氧空位之外，他们所采用的理论方法将更广泛地应用于许多其他类型的氧化物材料和其他类型的缺陷。维也纳大学计算材料物理学副教授Cesare Franchini说：“这项工作为半导体缺陷的研究建立了一个新范例，通过建立必要的数学计算，使用电刺激缺陷晶体并使其形成能量。”这项工作扩展了目前的热力学与电极化联系的理论，并且将有助于大部分的缺陷应用，其中的缺陷（电刺激的可调性）是一项资产，它可涵盖催化，电子和电热装置等领域。

原文链接：New analysis explains role of defects in metal oxides | MIT News
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