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Dec 21, 2023

Le nanoparticelle metalliche incorporate facilitano la metastabilità dei domini metallici commutabili negli interruttori di soglia Mott

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4609 (2022) Citare questo articolo

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La commutazione della soglia di Mott, osservata nei materiali quantistici caratterizzati da una transizione isolante-metallo innescata elettricamente, richiede un controllo delicato della dinamica percolativa dei domini commutabili elettricamente su scala nanometrica. Qui, dimostriamo che le nanoparticelle metalliche (NP) incorporate promuovono notevolmente la metastabilità dei domini metallici commutabili negli interruttori Mott VO2 simili a cristalli singoli. Utilizzando un sistema modello di pellicole monocristalline Pt-NP-VO2, è interessante notare che le Pt NP incorporate forniscono una "memoria" 33,3 volte più lunga della precedente conduzione metallica di soglia fungendo da "trampolini di lancio" preformati nel VO2 commutabile matrice mediante misurazione consecutiva di impulsi elettrici; la memoria persistente dell'accensione precedente durante l'applicazione di impulsi sottosoglia è stata ottenuta su una scala temporale più lunga di sei ordini di grandezza rispetto al tempo di recupero di un singolo impulso della resistenza di isolamento negli interruttori Mott Pt-NP-VO2. Questa scoperta offre una strategia fondamentale per sfruttare l’evoluzione geometrica dei domini commutabili nella transizione elettrica e potenziali applicazioni per il calcolo non booleano utilizzando materiali quantistici.

I materiali quantistici caratterizzati da una brusca transizione metallo-isolante hanno affascinato i ricercatori per la loro varietà di potenziali applicazioni nell'elettronica del futuro1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. A causa dell'estrema sensibilità della transizione di fase elettronica tra fasi concorrenti, una sottile perturbazione da parte di stimoli esterni può trasformare improvvisamente una fase esistente in una fase elettronica diversa, portando a una forte modulazione delle proprietà elettriche7,8,9,10,11,12 . Un fenomeno caratteristico durante la transizione metallo-isolante del primo ordine è la comparsa di separazioni di fase con domini metallici e isolanti con distribuzioni disomogenee fino a pochi nanometri11,13,14,15,16,17. L'esistenza della separazione di fase implica che la modulazione della resistenza avvenga attraverso una serie di percolazioni che trasformano parti del sistema da una fase all'altra2,11,13,14,15,16,17,18,19. Questa natura percolativa consente uno stato transitorio disomogeneo in cui coesistono sia la fase metallica che quella isolante; la dinamica dei domini percolativi nello stato intermedio determina le proprietà macroscopiche legate alla transizione di fase nei materiali quantistici2,11,13,14,15,16,17,18,19.

Il biossido di vanadio (VO2) subisce una transizione reversibile tra una fase isolante monoclina e una fase metallica rutilica vicino alla temperatura ambiente13,20,21. Questa transizione indotta termicamente si traduce in un'enorme modulazione della resistività elettrica fino a cinque ordini di grandezza, accompagnata da cambiamenti nella simmetria cristallina e nelle proprietà ottiche7,9,13,14,15,20,22. L'energia termica uniformemente distribuita sull'intero VO2 si traduce in una generazione spazialmente casuale di pozzanghere metalliche su scala nanometrica; queste pozzanghere metalliche si nucleano e poi crescono come domini metallici nella matrice isolante con l'aumentare della temperatura, e alla fine collegano l'intera area del VO2 come risultato della graduale percolazione7,9,13,14,15,19,20,22. I domini metallici si destabilizzano al diminuire della temperatura in modo reversibile.

Oltre alla temperatura come stimolo esterno, la transizione isolante-metallo (IMT) può essere stimolata elettricamente su una scala temporale inferiore al nanosecondo applicando una tensione esterna su dispositivi VO2 a due terminali se viene superata una tensione di soglia (Vth)2,7 ,14,16,17,18,23,24,25,26. Una transizione inversa metallo-isolante (MIT) può verificarsi prontamente una volta rimosso lo stimolo elettrico. Queste brusche transizioni dovute a stimoli elettrici hanno reso il VO2 un candidato per interruttori di soglia in potenziali applicazioni di dispositivi logici a bassa tensione per interruttori ad alta efficienza energetica27 e in neuroni e sinapsi artificiali per l'elaborazione non booleana2,4,6 per risolvere il collo di bottiglia nel dispositivi elettronici all'avanguardia.