新型薄膜材料 或可用于存储芯片和燃料电池

两位MIT研究人员研发了一种新型薄膜材料，仅需微小的电压即可实现金属和半导体之间的转变。而且在给予另一个电压之前，材料将稳定保持转变后的性能。新发现或为研发存储信息的新一代电脑芯片，以及能量转换和催化剂等方面应用提供思路。

这张图片展示的是如何使用电源电压改变锶辉钴矿中的氧浓度以及相结构，泵氧从左边的钙铁石材料转移至右边的钙钛矿。（图片由研究人员提供）

该项研究成果由MIT材料科学研究生Qiyang Lu和副教授Bilge Yildiz完成，并已发表在Nano Letter上。

Yildiz说道：“通常一种材料的相结构是由它的成分，温度和压力来控制的。现在我们首次证明了电也可以诱导材料的相转变，并且我们通过改变锶辉钴矿中的氧含量证明了这个观点。”

Lu解释道：“依据每个晶胞单元中的氧原子含量，锶辉钴矿有两种不同的结构，这两种结构有着不同的性能。”

这两种分子结构形态的其中一种叫做钙钛矿，另外一种叫做钙铁石。当氧含量高的时候，它形成钙钛矿那种结构紧实的笼状晶体结构，然而当氧含量低的时候，它形成钙铁石那种更加疏松型的结构。

这两种形态有着非常不同的化学性质、电磁性和物理性质。Lu和Yildiz发现，这种材料可以通过一个微弱的电压（仅仅0.03V）实现其在两种形态之间快速地转变，并且一旦发生转变，这个新的形态就会稳定存在，直到第二次电压的参与，才能使它转变回之前的形态。

在众所周知的一系列可转变金属氧化物中，锶辉钴矿只是其中的一种。这些可转变金属氧化物可以有很多的应用，包括作为燃料电池电极材料，用于气体分离的氧透过膜以及一些电子器件，比如记忆电阻——一种非挥发性，超速而且储能效率很高的存储器件。研究人员说道，这种通过使用微弱电压触发相转变的能力可以使得这种材料具备很大的应用前景。

在之前关于锶辉钴矿的研究中，研究人员们更多的是通过改变周围气体氛围中的氧含量来控制材料两种形态之间的转换，但是那种方法的效率非常低并且过程很难控制，Lu说：“因此我们的方法就是不改变气体氛围，仅仅通过使用电压去改变材料的形态。”

“电压改变材料表面的有效氧压力，”Yildiz补充道，“为了实现这一点，研究人员把一个钙铁石相结构的薄片放置在一个基板上，基板材料使用的是氧化钇稳定的氧化锆。

在上述设置完成之后，用电压驱使氧原子进入材料，使用反向的电压便会产生相反的影响，即驱使氧原子从材料内部析出。为了观察并证明在使用电压之后，材料确实发生了相转变，团队使用了在麻省理工大学材料科学与工程学院的原位X射线衍射的技术。

通过改变环境中的气压和温度实现两相转变的基本原理已在去年由橡树岭国家实验室的科研人员诠释的。不过，Yildiz介绍“那并没有在实际操作中实现。而MIT的研究人员已通过改变电压在实际中实现了相变和电性能的转变。

Lu认为，除了作为记忆设备之外，该材料或许还可以在燃料电池和锂离子电池的电极中找到用武之地。

研究团队计划通过研究更好地理解材料不同结构下的电性能，并将这种材料推广到存储和能源应用。

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素材：顾玥；翻译：刘宇龙；审核：张虹雨

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