科学家：半导体衬底的行为 "就像摇尾巴的狗”

生长半导体芯片的基底通常会被忽视，但它们可能比我们想象的更重要。这是美国和德国的研究人员利用高能 X 射线研究二氧化钛的发现。这一发现表明，这种材料不仅仅是一个被动平台，它还能帮助科学家开发下一代电子产品。

从类金属快速转变为绝缘体的材料为开发超高速电子晶体管提供了一条前景广阔的途径。为此，美国宾夕法尼亚州立大学的材料科学家兼物理学家文卡特拉曼-戈帕兰领导的研究小组开始研究此类器件的主要候选材料--二氧化钒（VO2）。二氧化钒的独特之处在于其电子具有强相关性。这意味着，与硅基电子器件不同，电子之间的斥力不容忽视。

但重要的是，研究人员并没有单独研究二氧化钒层。他们还分析了它与二氧化钛（TiO2）基底的相互作用。他们惊讶地发现，当二氧化钛在绝缘态和金属态之间切换时，基底含有一个活性层，其行为就像半导体一样。

戈帕兰及其同事通过在厚二氧化钛单晶衬底上生长一层极薄的二氧化钛薄膜获得了这一结果。然后，他们在基板上制作了一个器件通道，在该通道上施加电压脉冲，使半导体从绝缘状态切换到导电状态。在切换过程中，他们从阿贡国家实验室的先进光子源（APS）向通道施加高能 X 射线脉冲，观察半导体薄膜和衬底的晶格平面。

“戈帕兰解释说：”X 射线脉冲是定时的，因此它可以在电脉冲之前、之中和之后到达，这样我们就能看到随时间发生的变化。“我们还对整个通道进行了光栅扫描，以绘制当材料从绝缘体转变为金属时，整个通道会发生什么变化”。

这种技术被称为时空 X 射线衍射显微镜，擅长揭示材料在原子层面上的行为。在这种情况下，它向研究人员展示了 VO2 薄膜在转变为金属时的隆起。这出乎研究人员的意料：戈帕兰认为，这种材料应该是收缩的。“他说：”更重要的是，通常被认为在电气和机械上处于被动状态的基底也随着 VO2 薄膜一起隆起。“他说：”这就像是尾巴在摇狗，表明一种以前被忽略的机制正在发挥作用。

根据研究人员的理论计算和建模，这种机制涉及材料晶格中缺少氧原子的原子位点。众所周知，这些原生氧空位同时存在于半导体和衬底中，它们在外加电场的作用下发生电离和去离子。

“戈帕兰解释说：”中性氧空位带有两个电子，当材料从绝缘体转变为金属时，它们可以释放出两个电子。“留下的氧空位现在带电并膨胀，从而导致在器件中观察到膨胀。这种情况也可能发生在基底上。

戈帕兰说，实验本身非常具有挑战性。APS 的一条 X 射线光束线必须经过专门安装，团队花了几年时间才完成安装。然后，他补充说："实验结果非常有趣，出乎我们的意料，因此我们又花了几年时间分析数据并提出理论来理解实验结果。

戈帕兰认为，人们对基于相关电子材料（如 VO2）的下一代电子器件表现出极大的兴趣，这些材料表现出从绝缘体到金属的快速转变。“他告诉《物理世界》：”尽管以前的研究使用了包括X射线在内的各种技术对这种材料进行了分析，但我们的研究是首次在现实条件下研究功能器件的几何形状，同时绘制其在空间和时间上的响应图。“他告诉《物理世界》：”这项研究在这方面是独一无二的，它所揭示的问题也得到了回报。

研究人员现在正试图了解基底令人惊讶的反应背后的机制，他们计划为此重新审视他们的实验。“戈帕兰透露：”例如，我们正在考虑有意添加电离缺陷，在施加电压时释放电子并触发金属到绝缘体的转变。

本项研究还涉及美国康奈尔大学、佐治亚理工学院和德国保罗-德鲁德研究所的合作者，详细内容发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。

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