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      改變幾何形狀就可改變材料屬性!科學家通過限制電子和離子的傳輸實現新突破
      改變幾何形狀就可改變材料屬性!科學家通過限制電子和離子的傳輸實現新突破


      就像池塘里的漣漪,電子像波浪一樣穿過材料,當它們碰撞和相互作用時,它們會產生新的有趣的圖案。



      美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室的科學家們已經看到,當其形狀受到限制時,稱為二氧化鈦的金屬氧化物薄膜中會出現一種新型波形。限制是將材料限制在邊界內的行為,可以改變材料的特性以及分子通過它的運動。



      在二氧化鈦的情況下,它導致電子以一種獨特的模式相互干擾,從而增加了氧化物的導電性或導電程度。這一切都發生在中尺度上,在這個尺度上科學家可以看到量子效應以及電子和分子的運動。



      這項工作讓科學家們更深入地了解原子、電子和其他粒子在量子水平上的行為方式。這些信息可以幫助設計可以處理信息并在其他電子應用中有用的新材料。



      真正讓這項工作與眾不同的是我們調查的規模,主要作者、西北大學阿貢材料科學系 (MSD) 研究生弗蘭克巴羅斯說,在這個獨特的長度尺度上進行研究使我們能夠看到非常有趣的現象,這些現象表明在量子水平上發生了干擾,同時獲得了關于電子和離子如何相互作用的新信息。



      改變幾何形狀以改變材料屬性



      通常,當向二氧化鈦等氧化物施加電流時,電子以簡單的波形流過材料。與此同時,離子——或帶電粒子——也會四處移動。這些過程產生了材料的電子傳輸特性,例如導電性和電阻,這些特性在下一代電子產品的設計中得到了利用。



      我們在研究中所做的是試圖了解我們如何通過限制薄膜的幾何形狀或形狀來改變材料特性,共同作者、阿貢 MSD 的材料科學家兼小組負責人 Charudatta Phatak 說。



      首先,研究人員制作了二氧化鈦薄膜,然后在其上設計了一個圖案。圖案中的孔僅相隔 10 到 20 納米。添加幾何圖案會改變電子的運動,就像將石頭扔進水體會改變穿過水體的波浪一樣。在二氧化鈦的情況下,該圖案導致電子波相互干擾,從而導致氧化物導電更多。



      干涉圖案基本上將通常在二氧化鈦等材料中移動的氧或離子固定在適當的位置。我們發現將它們固定在適當的位置對于獲得這些波的建設性干涉很重要或必要,Phatak 說。



      研究人員使用兩種技術研究了電導率和其他特性:電子全息和電子能量損失光譜。為此,他們利用美國能源部科學用戶設施辦公室阿貢納米材料中心 (CNM) 的資源來制造樣品并進行一些測量。



      如果我們不能在一個模式中產生足夠多的這些孔,我們就無法看到這種獨特的干擾模式,這很難做到,巴羅斯說,事實證明,CNM 和 Argonne 材料科學部門的專業知識和資源對于幫助我們觀察這種緊急行為至關重要。



      未來應用



      未來,如果研究人員能夠更好地了解導致電導率增加的原因,他們就有可能找到控制電學或光學特性的方法,并將這些信息用于量子信息處理。洞察力也可用于擴展我們對可以轉換電阻的材料的理解。電阻測量材料抵抗電流中電子流動的程度。



      電阻轉換材料很受關注,因為它們可以作為信息載體——一個電阻狀態可以是 0,另一個可以是 1,Phatak 說,我們所做的可以讓我們更深入地了解如何通過使用幾何限制來控制這些屬性。


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