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革命性的绝缘材料竟也可以导电?这是要闹哪样

发布时间:2019-08-08 点击次数:72次

  《科学》(Science)杂志11月30日报道,美国威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员领导的国际团队制造出一种新材料,可以在不改变其原子结构的条件下,从导电金属转换为非导电绝缘材料。这种新材料可以为超高速电子器件奠定基础。材料科学与工程教授张伯伦(音译)说:“这是一个令人兴奋的发现,我们找到了一种新的材料性能转换方法。”

快手成年版  一般来说,绝缘体和导体是严格区分的,例如金属是导电的,而橡胶或玻璃这样的绝缘体就完全不允许电流流动。然而,有些材料却能从绝缘体转化为电导体。出现这种转换意味着材料的原子和电子的排列必须协调改变。然而,原子跃迁通常比电子慢得多。张教授解释道,材料如果能像金属一样,在不移动原子的情况下具备导电性,那么由其制造的设备的切换速度将显著提高。他说:“金属到绝缘体的切换对于开关和逻辑器件来说非常重要。现在,我们有可能利用这一概念制造快速开关了。”张教授等的研究,对于回答困扰科学家们多年的基本问题“电子和结构转变能否解耦?”非常重要。

快手成年版  张教授团队制造的新材料的主要成分为二氧化钒。二氧化钒受热时为导电体,在室温时呈绝缘态——高温下,组成二氧化钒的原子呈规则排列,科学家称之为金红石相;而当二氧化钒冷却时,其原子排列会转变为单斜模式。

  当原子处于单斜构象时,天然物质均不导电。而材料达到绝缘体-金属转变温度时,原子的重新排列需要花费时间。在不同温度下,二氧化钒的金属-绝缘体转换取决于其含氧量。研究人员根据这一原理,制造了两层薄二氧化钒层,其中一层的转变温度略低于另一层。两层顶部相互夹持,中间形成一个尖锐的界面。当研究人员加热二氧化钒夹层时出现了令人吃惊的结果:其中一层变成金属态,另一层保持绝缘单斜相的部分也有导电性了。值得注意的是,这种材料既具有稳定性,还保留了其独特的特性——在此之前,有许多研究小组也曾试图制造导电绝缘体,但这些材料几乎在瞬间就失去了它们的导电-绝缘特性。

快手成年版  张教授认为,实现导电-绝缘态稳定存在的关键在于材料的薄夹层结构。能够使导电-绝缘态稳定存在才能使材料有应用价值。目前,威斯康辛大学校友研究基金会正在协助研究人员申请专利保护。


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