基材明星：Venkatraman Gopalan，材料科学、工程和物理学教授，在他的光学实验室中。 （由 Seana Wood/币安立大学材料研究所提供）
生长半导体芯片的基板通常被忽视，但它们可能比我们想象的更重要。 这是美国和德国研究人员的发现，他们使用高能 X 射线研究二氧化钛——绝缘体到金属半导体的常见基材。 这种材料不仅仅是一个无源平台的发现可以帮助科学家开发下一代电子产品。
能够快速从类金属转变为绝缘材料的材料为开发超高速电子晶体管提供了一条有前途的途径。 为此，由美国币安立大学材料科学家和物理学家 Venkatraman Gopalan 领导的团队开始研究此类设备的主要候选者二氧化钒 (VO2)。 二氧化钒的不同寻常之处在于它的电子具有很强的相关性。 这意味着，与硅基电子产品不同，电子之间的排斥力不能被忽略。
但至关重要的是，研究人员并没有单独研究摄氧量层。 他们还分析了它如何与其生长的二氧化钛 (TiO2) 基材相互作用。 令他们惊讶的是，他们发现基板包含一个有源层，当 VO2 在绝缘状态和金属状态之间切换时，其行为就像半导体一样。
定时X射线脉冲
Gopalan 及其同事通过在厚的 TiO2 单晶基底上生长非常薄的 VO2 薄膜获得了结果。 然后，他们在整体上制造了一个器件通道，可以在该器件通道上施加电压脉冲，将半导体从绝缘状态切换为导电状态。 在此切换过程中，他们将来自阿贡国家实验室先进光子源 (APS) 的高能 X 射线脉冲施加到通道上，并观察半导体薄膜和基板的晶格平面。
“X 射线脉冲经过定时，以便它可以在电脉冲之前、同时和之后到达，这样我们就可以看到随着时间的推移会发生什么，”Gopalan 解释道。 “它还对整个通道进行了光栅扫描，以绘制当材料从绝缘体转变为金属时整个通道会发生什么情况。”
这项技术被称为时空 X 射线衍射显微镜，擅长揭示Atom水平上材料的行为。 在这种情况下，研究人员发现 VO2 薄膜在转变为金属时会凸起。 这是出乎意料的：根据戈帕兰的说法，这种材料应该会收缩。 “更重要的是，通常被认为是电气和机械被动的基板也会随着 VO2 薄膜一起凸起，”他说。 “这就像尾巴摇狗一样，表明之前被忽视的机制正在发挥作用。”
天然氧空位是造成这种情况的原因
根据研究人员的理论计算和建模，这种机制涉及材料晶格中缺少氧Atom的Atom位点。 众所周知，这些原生氧空位存在于半导体和衬底中，并且它们与所施加的电场一致地电离和去离子。
“中性氧空位含有两个电子，当材料从绝缘体转变为金属时，它们可以释放这些电子，”戈帕兰解释道。 “留下的氧空位现在带电并膨胀，导致设备中观察到的膨胀。 这也可能发生在基材中。”
戈帕兰说，实验本身非常具有挑战性。 APS 的一条 X 射线束线必须经过专门安装，团队花了几年时间才完成设置。 然后，他补充道，“结果是如此有趣和出乎意料，我们花了几年时间来分析数据并提出一个理论来理解结果。”
Gopalan 表示，人们对基于相关电子材料（例如 VO2）的下一代电子产品产生了极大的兴趣，这些材料具有快速绝缘体到金属的转变。 他告诉《物理世界》：“虽然之前的研究已经使用各种技术（包括使用 X 射线）分析了这种材料，但我们的研究是第一个在现实条件下研究功能器件几何形状，同时绘制其在空间和时间上的响应的研究。” “这项研究在这方面是独一无二的，并且它所揭示的内容得到了回报。”
研究人员现在正试图了解基质令人惊讶的反应背后的机制，并计划为此重新审视他们的实验。 “例如，我们正在考虑有意添加电离缺陷，在施加电压时释放电子并触发金属到绝缘体的转变，”戈帕兰透露。
目前的研究还涉及美国康奈尔大学和佐治亚理工学院以及德国保罗德鲁德研究所的合作者，详细信息请参见《先进材料》。
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