使用电压控制材料特性

现代技术可以使用微弱的电信号改材料的电、热和光学特性

来自麻省理工学院（MIT）的研究员们和其它地方的合作者提出了一种使用微弱电压转变材料的磁特性的新方法。据这些研究员们称，这可能意味着具有各种可变特性的材料新家族的诞生。

他们声称，除了磁学性质之外，这种技术最终可以被用来控制材料的反射性质和热传导性质。这一新发现首先可能被应用于新型只读存储芯片，一旦数据被写入，只读存储芯片需要保证在断电状态下不丢失数据，以大幅降低其整体功率消耗。这对移动设备来说可能特别有用，因为电池寿命通常是其主要的局限。

来自MIT的博士生Uwe Bauer、副教授Geoffrey Beach和其他六位作者一起在《Nature Materials》杂志上公布了这一发现。

身为材料科学与工程系的副教授，Beach说这项工作属于Bauer关于电压可编程材料的博士论文的研究成果。这项工作可能研制出一种新型非易失性的、超低功耗存储芯片，Beach说。

使用电信号控制磁存储单元的概念已成为芯片制造商争相研究的对象，Beach说。但是以MIT科学家组成的研究团队在技术的实际应用方面取得了重要的进展。

他解释道，这些设备的结构与电容相似，都是由两个导电材料薄层以及两者之间的绝缘夹层构成。绝缘层非常薄，以至于处于某些情况下时，电子可以穿透它。

但是与电容不同的是，这些低功耗芯片中的导电层经过磁化处理。新设备中，其中一层导电层的磁化性质是固定不变的，但是通过施加电压的方法，另外一层的磁场方向可以在两个方向上进行切换。当两个导电层的磁场方向一致时，电子就比较容易从一层跑到另外一层。而当两个导电层的磁场方向相反时，设备的绝缘性就更加强。这些状态可以用“0”和“1”来表示。

MIT的工作表明仅需要微弱的电压就可以反转设备的状态——即使断电后，设备也能维持其新状态。传统的存储设备则需要持续的电源维持状态。

来自MIT的研究团队设计出一种通过电压改变磁场属性的系统，这种系统所产生的磁场要比其他团队所能获得的磁场强100倍。磁场强度的巨大变化使长期稳定的新型存储单元成为可能。

他们之所以能做到这一点，是因为他们使用了一种由一种氧化物构成的绝缘层，所施加的电压能够重排该氧化物的氧离子。他们证明在交界附近前后移动氧离子能够显著地改变磁层的特性。

该团队正在加快工作进度，以使这些变化能够应用于存储单元。据称，他们已经获得了兆赫兹（每秒百万次）的转换频率，但是一个全状态的存储模块需要将百倍数量级进一步增加到千倍数量级。

该团队发现使用激光脉冲加热氧化层同样可以改变磁特性，这样氧离子更加容易移动。使用激光束改变材料状态，可以扫遍整个材料的表面，激光束走到哪儿，哪儿就发生改变。

Beach解释道，相同的技术可以用来改变材料的其它特性，比如反射或热传导特性。传统方法只有通过机械或化学处理过程改变这些特性。“使用电可以控制这些所有的特性，例如开启或关闭它们，甚至是使用一束光来‘生成’它们”，Beach说。他还指出：“这种变化的能力形成了一种获取材料特性的‘刻蚀素描’方法。”这一新发现开始的只是一个“侥幸”。Beach接着说：“Bauer博士拿层状材料做实验，当施加电压时，他期望这种层状材料能临时起到标准的电容作用。但是当他关掉电源后，它却保持了原状。因为具有了相反的磁性状态，这引发了更加深入的研究。”

“我想这将会拥有广泛的应用，”Beach说。它所使用的方法和材料已经成为了芯片制造行业的标准。

来自加利福尼亚大学圣迭戈分校的纳米工程教授Eric Fullerton说：“它可以被用于设计新型磁性存储，这种存储具有一些独特的优点，比如较低运行功耗、非易失性、可扩展性和CMOS兼容性。振奋人心的是可以通过反复地改变交界处的氧化状态进而反复地改变其磁性状态。” Eric并没有参与这项工作。

除了Bauer和Beach，团队成员还包括来自芬兰阿尔托大学的Lide Yao和Sebastiaan van Dijken，来自MIT的研究生Aik Jun Tan、ParnikaAgrawal和Satoru Emor以及陶瓷和电子材料教授Harry Tuller。这项研究得到了美国国家科学基金会和三星公司的支持。

译自：http://newsoffice.mit.edu/2014/controlling-material-with-voltage-1120

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