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Dec 21, 2023

As nanopartículas metálicas incorporadas facilitam a metaestabilidade de domínios metálicos comutáveis ​​em interruptores de limite Mott

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4609 (2022) Citar este artigo

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A comutação de limiar de Mott, observada em materiais quânticos com uma transição de isolador para metal acionada eletricamente, exige um controle delicado da dinâmica percolativa de domínios eletricamente comutáveis ​​em nanoescala. Aqui, demonstramos que as nanopartículas metálicas incorporadas (NP) promovem drasticamente a metaestabilidade de domínios metálicos comutáveis ​​em comutadores VO2 Mott semelhantes a um único cristal. Usando um sistema modelo de filmes de cristal único Pt-NP-VO2, curiosamente, os Pt NPs incorporados fornecem 33,3 vezes mais 'memória' da condução metálica de limiar anterior, servindo como 'trampolins' pré-formados no VO2 comutável matriz por medição consecutiva de pulsos elétricos; a memória persistente do disparo anterior durante a aplicação de pulsos sublimiar foi alcançada em uma escala de tempo seis ordens de magnitude mais longa do que o tempo de recuperação de pulso único da resistência isolante em interruptores Pt-NP-VO2 Mott. Esta descoberta oferece uma estratégia fundamental para explorar a evolução geométrica de domínios comutáveis ​​em transição eletricamente disparada e aplicações potenciais para computação não booleana usando materiais quânticos.

Materiais quânticos apresentando uma transição abrupta de metal-isolante têm fascinado os pesquisadores por sua variedade de aplicações potenciais na eletrônica futura1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Devido à extrema sensibilidade da transição de fase eletrônica entre fases concorrentes, uma perturbação sutil por estímulos externos pode transformar abruptamente uma fase existente em uma fase eletrônica diferente, levando a uma modulação abrupta das propriedades elétricas7,8,9,10,11,12 . Um fenômeno característico durante a transição metal-isolante de primeira ordem é o aparecimento de separação de fases com domínios metálicos e isolantes com distribuições não homogêneas até alguns nanômetros11,13,14,15,16,17. A existência de separação de fases implica que a modulação da resistência ocorre por meio de uma série de percolações que transformam partes do sistema de uma fase para outra2,11,13,14,15,16,17,18,19. Esta natureza percolativa permite um estado de transição não homogêneo onde ambas as fases metálicas e isolantes coexistem; a dinâmica dos domínios percolativos no estado intermediário determina as propriedades macroscópicas relacionadas à transição de fase em materiais quânticos2,11,13,14,15,16,17,18,19.

O dióxido de vanádio (VO2) sofre uma transição reversível entre uma fase isolante monoclínica e uma fase rutilo metálica próxima à temperatura ambiente13,20,21. Essa transição induzida termicamente resulta em uma modulação gigante da resistividade elétrica de até cinco ordens de grandeza, acompanhada de mudanças na simetria do cristal e nas propriedades ópticas7,9,13,14,15,20,22. A energia térmica uniformemente distribuída por todo o VO2 resulta em uma geração espacialmente aleatória de poças metálicas em nanoescala; essas poças metálicas nucleam e depois crescem como domínios metálicos na matriz isolante com o aumento da temperatura e acabam conectando toda a área do VO2 como resultado da percolação gradual7,9,13,14,15,19,20,22. Os domínios metálicos são desestabilizados com a diminuição da temperatura de forma reversível.

Além da temperatura como estímulo externo, a transição do isolador para o metal (IMT) pode ser estimulada eletricamente em uma escala de tempo de subnanossegundos pela aplicação de uma voltagem externa em dispositivos VO2 de dois terminais se uma voltagem limite (Vth) for excedida2,7 ,14,16,17,18,23,24,25,26. Uma transição reversa de metal para isolador (MIT) pode ocorrer prontamente assim que o estímulo elétrico for removido. Essas transições abruptas por estímulos elétricos tornaram o VO2 um candidato para interruptores de limite em aplicações potenciais de dispositivos lógicos de baixa voltagem para interruptores energeticamente eficientes27 e em neurônios artificiais e sinapses para computação não booleana2,4,6 para resolver o gargalo no dispositivos eletrônicos de última geração.