通过限制电子和离子的传输科学家表明它们可以改变材料特性

就像池塘里的涟漪，电子像波浪一样穿过材料，当它们碰撞和相互作用时，它们会产生新的有趣的图案。能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家们已经看到，当其形状受到限制时，称为二氧化钛的金属氧化物薄膜中会出现一种新型波形。限制是将材料限制在边界内的行为，可以改变材料的特性以及分子通过它的运动。

在二氧化钛的情况下，它导致电子以一种独特的模式相互干扰，从而增加了氧化物的导电性或导电程度。这一切都发生在中尺度上，在这个尺度上科学家可以看到量子效应以及电子和分子的运动。

这项工作让科学家们更深入地了解原子、电子和其他粒子在量子水平上的行为方式。这些信息可以帮助设计可以处理信息并在其他电子应用中有用的新材料。

“真正让这项工作与众不同的是我们调查的规模，”主要作者、西北大学阿贡材料科学系(MSD)研究生弗兰克巴罗斯说。“在这个独特的长度尺度上进行研究使我们能够看到非常有趣的现象，这些现象表明在量子水平上发生了干扰，同时获得了关于电子和离子如何相互作用的新信息。”

改变几何形状以改变材料属性

通常，当向二氧化钛等氧化物施加电流时，电子以简单的波形流过材料。与此同时，离子——或带电粒子——也会四处移动。这些过程产生了材料的电子传输特性，例如导电性和电阻，这些特性在下一代电子产品的设计中得到了利用。

“我们在研究中所做的是试图了解我们如何通过限制薄膜的几何形状或形状来改变材料特性，”共同作者、阿贡MSD的材料科学家兼小组负责人CharudattaPhatak说。

首先，研究人员制作了二氧化钛薄膜，然后在其上设计了一个图案。图案中的孔仅相隔10到20纳米。添加几何图案会改变电子的运动，就像将石头扔进水体会改变穿过水体的波浪一样。在二氧化钛的情况下，该图案导致电子波相互干扰，从而导致氧化物导电更多。

“干涉图案基本上将通常在二氧化钛等材料中移动的氧或离子固定在适当的位置。我们发现将它们固定在适当的位置对于获得这些波的建设性干涉很重要或必要，”Phatak说。

研究人员使用两种技术研究了电导率和其他特性：电子全息和电子能量损失光谱。为此，他们利用能源部科学用户设施办公室阿贡纳米材料中心(CNM)的资源来制造样品并进行一些测量。

“如果我们不能在一个模式中产生足够多的这些孔，我们就无法看到这种独特的干扰模式，这很难做到，”巴罗斯说。“事实证明，CNM和Argonne材料科学部门的专业知识和资源对于帮助我们观察这种紧急行为至关重要。”

未来应用

未来，如果研究人员能够更好地了解导致电导率增加的原因，他们就有可能找到控制电学或光学特性的方法，并将这些信息用于量子信息处理。洞察力也可用于扩展我们对可以转换电阻的材料的理解。电阻测量材料抵抗电流中电子流动的程度。

“电阻转换材料很受关注，因为它们可以作为信息载体——一个电阻状态可以是0，另一个可以是1，”Phatak说。“我们所做的可以让我们更深入地了解如何通过使用几何限制来控制这些属性。”

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