소식

Dec 21, 2023

내장된 금속 나노입자는 Mott 임계값 스위치에서 전환 가능한 금속 도메인의 준안정성을 촉진합니다.

네이처커뮤니케이션즈 볼륨

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4609(2022) 이 기사 인용

2495 액세스

1 인용

48 알트메트릭

측정항목 세부정보

전기적으로 발사된 절연체에서 금속으로의 전이를 특징으로 하는 양자 재료에서 관찰되는 Mott 임계값 스위칭은 나노 규모에서 전기적으로 전환 가능한 도메인의 침투 역학을 섬세하게 제어해야 합니다. 여기에서는 내장된 금속 나노입자(NP)가 단결정형 VO2 Mott 스위치에서 전환 가능한 금속 도메인의 준안정성을 극적으로 촉진한다는 것을 보여줍니다. 흥미롭게도 Pt-NP-VO2 단결정 유사 필름의 모델 시스템을 사용하여 내장된 Pt NP는 전환 가능한 VO2에서 미리 형성된 '디딤돌' 역할을 함으로써 이전 임계값 금속 전도의 33.3배 더 긴 '메모리'를 제공합니다. 연속 전기 펄스 측정에 의한 매트릭스; 임계값 미만 펄스를 적용하는 동안 이전 점화에 대한 영구 메모리는 Pt-NP-VO2 Mott 스위치의 절연 저항의 단일 펄스 복구 시간보다 6배 더 긴 시간 단위로 달성되었습니다. 이 발견은 전기적으로 발사된 전이에서 전환 가능한 영역의 기하학적 진화와 양자 재료를 사용하는 비 부울 컴퓨팅에 대한 잠재적 응용을 활용하기 위한 기본 전략을 제공합니다.

급격한 금속-절연체 전이를 특징으로 하는 양자 재료는 미래 전자 분야의 다양한 잠재적 응용 분야로 연구자들을 매료시켰습니다1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. 경쟁 단계 간 전자 위상 전이의 극도의 민감성으로 인해 외부 자극에 의한 미묘한 교란으로 인해 기존 위상이 다른 전자 위상으로 갑자기 변환되어 전기적 특성이 급격히 변조될 수 있습니다7,8,9,10,11,12 . 1차 금속-절연체 전이 중 특징적인 현상은 수 나노미터까지 불균일한 분포를 갖는 금속 및 절연 도메인으로 상 분리가 나타나는 것입니다. 위상 분리가 존재한다는 것은 저항 변조가 시스템의 일부를 한 위상에서 다른 위상으로 변환하는 일련의 퍼콜레이션을 통해 발생한다는 것을 의미합니다. 이러한 여과 특성은 금속상과 절연상이 공존하는 불균일한 전이 상태를 허용합니다. 중간 상태의 침투 도메인의 역학은 양자 물질의 상전이와 관련된 거시적 특성을 결정합니다.

이산화바나듐(VO2)은 실온 근처에서 단사정계 절연상과 금홍석 금속상 사이의 가역적 전이를 겪습니다. 이러한 열에 의해 유도된 전이는 결정 대칭 및 광학적 특성의 변화와 함께 최대 5배 크기의 전기 저항률의 거대한 변조를 초래합니다. 전체 VO2에 걸쳐 균일하게 분포된 열 에너지는 나노 크기의 금속 웅덩이가 공간적으로 무작위로 생성되는 결과를 가져옵니다. 이러한 금속 웅덩이는 온도가 증가함에 따라 절연 매트릭스에서 핵이 생성되고 금속 영역으로 성장하며 점진적인 삼출의 결과로 결국 VO2의 전체 영역을 연결합니다7,9,13,14,15,19,20,22. 금속 도메인은 가역적인 방식으로 온도가 감소함에 따라 불안정해집니다.

외부 자극으로서의 온도 외에도 절연체-금속 전이(IMT)는 임계 전압(Vth)이 초과되는 경우 2단자 VO2 장치에 외부 전압을 적용하여 나노초 미만의 시간 규모로 전기적으로 자극될 수 있습니다2,7 ,14,16,17,18,23,24,25,26. 전기 자극이 제거되면 역방향 금속-절연체 전이(MIT)가 즉시 발생할 수 있습니다. 전기 자극에 의한 이러한 갑작스러운 전환으로 인해 VO2는 에너지 효율적인 스위치를 위한 저전압 논리 장치의 잠재적 응용 분야와 병목 현상을 해결하기 위한 비 부울 컴퓨팅2,4,6을 위한 인공 스파이킹 뉴런 및 시냅스에서 임계 스위치 후보가 되었습니다. 최첨단 전자 기기.