相变在科学研究中一直是至关重要的，从水到冰或蒸汽的变化就是一个简单例子。对于今天的开创性研究来说，一个重要的相变是在被称为“相关氧化物”材料中从金属到绝缘体的相变。科学家们通过研究相关氧化物(导电很少或没有电阻(类金属))由于温度、压力或其他外场的变化而改变为不导电(绝缘体)时会发生什么，对超导和磁性等现象有了许多见解。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室前主任Peter Littlewood和同事们提出：
迄今为止关于过渡金属氧化物中金属-绝缘体转变的最完整图景。这些相关氧化物吸引了科学家，因为它们有许多吸引人的电子和磁性。这种金属-绝缘体转变的调谐和控制一直是许多令人兴奋的新物理和很有前途材料应用的来源，例如低功率和超快微电子。过去，科学家通常通过添加电子来调整这种金属-绝缘体的转变，新研究成果现发表在《自然》期刊上。之前几十年的研究表明，调整氧化物晶体结构中电子不活跃。
但结构重要的‘植物离子’的大小对转变温度也有很大影响。然而，造成这种效果的原因还没有得到很好的理解。电子上不活跃的植物离子的大小可以改变发生金属-绝缘体转变温度，从接近绝对零度到远高于室温的温度。相变温度越高，越接近室温，材料在实际应用中就越有吸引力。本研究重点是一类重要的过渡金属氧化物：钙钛矿。与氧一起，这些氧化物结合了一个电子活性离子和一个电子非活性植物离子。
后一种离子可以是许多稀土元素或碱土金属中的任何一种。因此，科学家可以在不改变相关化学物质的情况下，选择相对较小或较大的原子尺寸。附图左侧显示了钙钛矿型过渡金属氧化物的基本晶体结构。每个单元格(灰色钻石)有八个边，氧原子(红圈)位于六个尖端，过渡金属(锰或镍)隐藏在中心。绿色圆圈代表植物离子，或者是稀土，或者是碱土金属。关键的发现是确定稀土或碱土金属大小的影响，更改此元素的大小会更改引入到八边单元中的倾斜角度，如附图右侧所示。
反过来，增加倾斜角度会导致八边形单元中的各种变形和移动，由于内应力，这些单元可能会拉伸、收缩和旋转。正是这些弹性自由度的动态波动导致了观察到的热效应，这些热效应发生的温度比单纯基于电子活性离子早期模型中解释的温度要低得多。在上述机制的基础上，研究小组能够构建一种理论，捕捉由植物离子大小引起的倾斜角、金属-绝缘体转变温度和钙钛矿晶体结构无序程度之间的关系。理论计算相对简单，在绝对零度到315摄氏度以上的范围内与实验结果吻合较好。
重要的是，理论研究不仅适用于一种材料，而且适用于整个类别的材料，并有许多可能的应用，包括一些与阿贡正在进行和计划中研究项目相关的应用。例如，在新兴的下一代微电子研究领域，金属-绝缘体转变的改进调谐和控制有望在模拟大脑过程的计算机低功耗和超高速微电子领域实现重大飞跃。此外，参与阿贡世界级电池项目的科学家或许能够利用这一理论作为灵感，为下一代锂离子电池设计更好的正极材料。
博科园｜研究/来自：阿贡国家实验室
参考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1824-9
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