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加点微小电压就能改变结构的“活泼”材料
发布:kittyll   时间:2016/2/17 16:51:24   阅读:504 
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图:通过改变电压实现氧含量的改变,进而实现材料结构的改变。氧浓度的上升和下降将使材料从钙铁铝石结构(左)变为钙钛矿结构(右)。
 
最近,《Nano Lettes》上刊登了一则有关薄膜材料的最新发现,新材料被称为钴酸锶,或SrCoOx,由美国麻省理工大学材料科学本科生Qiyang Lu和副教授Bilge Yildiz共同发现。该材料应用广泛,包括非易失性计算机记忆芯片(断电后依然可保持信息)、能量储存和催化反应等。
 
Yildiz 介绍道:“通常而言,一种材料的结构(相)由其分子(原子)、温度、压力等因素共同决定。而在最新研究中,我们首次发现电偏压能够引起相的转变,而电偏压的产生则是通过改变SrCoOx 中氧的含量来实现。”
 
“SrCoOx具有两种结构,取决于每个体积单元中氧原子的个数,两种结构的性质迥然不同。”Lu解释道。
 
其中一种分子结构被称为钙钛矿结构(perovskite),另一种则是钙铁铝石结构(brownmillerite)。当SrCoOx内存在大量氧,分子将形成密闭、空穴状的晶体结构,即钙钛矿结构;当氧的浓度降低,晶体结构将更为开放,即钙铁铝石结构。
 
两种结构具有不同的化学、电学、磁学和物理性能。Lu和Yildiz发现,当外加很小的电压(仅需0.03 V),材料就能实现在两种结构中相互转变。此外,一旦结构发生变化,新的结构将保持稳定,直至第二次施加电压,才转变回原结构。
 
研究人员称,过渡金属氧化物具有广泛的应用前景,包括燃料电池电极、用于分离氧气的过滤薄膜、诸如忆阻器(一种非易失性、超高速、高转化率的记忆装置)等电子装置。而钴酸锶仅为过渡金属氧化物大家族中的一员。若仅用微弱电流即能实现材料结构转化,将进一步拓宽此类材料的应用领域。
 
“在过去,钴酸锶结构的转变是基于材料周围环境中氧含量的变化,然而,此过程缓慢且难以控制,而在新的研究中,两种结构的选择则是基于电压的变化。”Lu解释道。
 
电压改变了材料表面氧气产生的有效压强。实现该过程的方法是,在衬底上放置极薄的金属薄膜(钙铁铝石结构)。研究者们选用钇稳定氧化锆作为衬底。施加电压后,氧原子进入材料,施加反向电压则作用相反。这些实验现象是通过X射线散射装置观察到的。
 
去年,美国橡树岭国家实验室的科学家实现了该材料的相变过程,其原理是改变气压和环境温度。Yildiz解释道:“然而在实际使用过程中,这种方法并不能有效控制由此类材料制成的电子设备的性能。”相比之下,MIT团队的新发现则在实际应用中具有更高的可行性,也更为简单。
 
Lu还表示:“除了记忆装置,该材料将最终用于燃料电池和锂离子电池的电极。”
 
Yildiz补充道:“该研究的最大贡献在于,用外加电压控制活泼金属的结构,这为新型能源和信息处理装置的发展打下了坚实的理论基础。
 
这项研究仍在进行中,团队将与MIT的Harry Tuller教授展开合作,进一步分析该材料不同结构下的电学性能,同时放眼于其他过渡金属氧化物的研究,以探索更多记忆装置和能源装置的应用。
 

译自:sciencedaily
来源:材料与测试
译者:Kate0609

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