Новости

Dec 21, 2023

Встроенные металлические наночастицы способствуют метастабильности переключаемых металлических доменов в пороговых переключателях Мотта.

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4609 (2022) Цитировать эту статью

2495 Доступов

1 Цитаты

48 Альтметрика

Подробности о метриках

Пороговое переключение Мотта, которое наблюдается в квантовых материалах с электрическим переходом изолятор-металл, требует тонкого контроля перколяционной динамики электрически переключаемых доменов на наномасштабе. Здесь мы демонстрируем, что внедренные металлические наночастицы (НЧ) резко способствуют метастабильности переключаемых металлических доменов в монокристаллических переключателях Мотта VO2. Интересно, что при использовании модельной системы монокристаллических пленок Pt-NP-VO2 встроенные наночастицы Pt обеспечивают в 33,3 раза более длительную «память» о предыдущей пороговой металлической проводимости, служа предварительно сформированными «ступеньками» в переключаемом VO2. матрица путем последовательного измерения электрических импульсов; постоянная память о предыдущем срабатывании при подаче подпороговых импульсов была достигнута за время, на шесть порядков превышающее время восстановления одиночного импульса изолирующего сопротивления в переключателях Pt-NP-VO2 Mott. Это открытие предлагает фундаментальную стратегию использования геометрической эволюции переключаемых доменов при электрическом переходе и потенциальных приложений для небулевых вычислений с использованием квантовых материалов.

Квантовые материалы с резким переходом металл-изолятор очаровали исследователей разнообразием потенциальных применений в будущей электронике1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Из-за чрезвычайной чувствительности электронного фазового перехода между конкурирующими фазами незначительное возмущение внешними стимулами может резко преобразовать существующую фазу в другую электронную фазу, что приводит к резкой модуляции электрических свойств7,8,9,10,11,12 . Характерным явлением при переходе металл-изолятор первого рода является появление фазового разделения с металлическими и изолирующими доменами с неоднородным распределением вплоть до нескольких нанометров11,13,14,15,16,17. Существование разделения фаз подразумевает, что модуляция сопротивления происходит посредством серии перколяций, переводящих части системы из одной фазы в другую2,11,13,14,15,16,17,18,19. Эта перколяционная природа допускает неоднородное переходное состояние, в котором сосуществуют как металлическая, так и изолирующая фазы; динамика перколяционных доменов в промежуточном состоянии определяет макроскопические свойства, связанные с фазовым переходом в квантовых материалах2,11,13,14,15,16,17,18,19.

Диоксид ванадия (VO2) претерпевает обратимый переход между моноклинной изолирующей фазой и рутиловой металлической фазой вблизи комнатной температуры13,20,21. Этот термоиндуцированный переход приводит к гигантской модуляции электросопротивления до пяти порядков, сопровождающейся изменениями симметрии кристалла и оптических свойств7,9,13,14,15,20,22. Равномерно распределенная тепловая энергия по всему VO2 приводит к пространственно случайному образованию наноразмерных металлических луж; эти металлические лужи зарождаются, а затем растут как металлические домены в изолирующей матрице с повышением температуры и в конечном итоге соединяют всю область VO2 в результате постепенной перколяции7,9,13,14,15,19,20,22. Металлические домены дестабилизируются с понижением температуры обратимым образом.

В дополнение к температуре в качестве внешнего стимула переход изолятор-металл (IMT) может быть электрически стимулирован в субнаносекундном масштабе времени путем приложения внешнего напряжения к двухконтактным устройствам VO2, если пороговое напряжение (Vth) превышено2,7 ,14,16,17,18,23,24,25,26. Обратный переход металл-изолятор (MIT) может произойти сразу после устранения электрического стимула. Эти резкие переходы под действием электрических стимулов сделали VO2 кандидатом на пороговые переключатели в потенциальных приложениях низковольтных логических устройств для энергоэффективных переключателей27, а также в искусственных импульсных нейронах и синапсах для небулевых вычислений2,4,6 для устранения узкого места в новейшие электронные устройства.