明尼蘇達大學雙城分校的研究人員展示了一種意想不到的新方法來改變金屬的電子行為。透過仔細設計兩種接觸材料之間的原子相互作用，該團隊能夠顯著改變金屬材料的性能。
研究結果發表於 自然通訊顯示一種稱為界面極化的現象可用於調節金屬二氧化釕 (RuO2) 相對於電子伏特 (eV) 的表面功函數。這種效果是透過將超薄膜的厚度改變幾奈米來實現的。
金屬性能的原子尺度控制
極化通常與絕緣材料和鐵電體而不是金屬有關。然而，研究人員找到了一種使用它來穩定極化並影響金屬系統內電子行為的方法。
明尼蘇達大學化學工程與材料科學系教授兼殼牌主席巴拉特·賈蘭 (Bharat Jalan) 表示：“我們通常認為極化屬於絕緣體或鐵電體，而不是金屬。” “我們的工作表明，通過仔細的界面設計，可以穩定金屬系統中的極化，並將其用作調節電子特性的旋鈕。這開闢了一種控制金屬的全新方法。”
研究團隊發現，效果取決於金屬層的厚度。當二氧化釕薄膜厚度為 4 奈米（即 DNA 單股的寬度）時，變化最為顯著。
4 奈米處的臨界轉變
在此厚度下，金屬從底層材料引起的應變狀態轉變為更鬆弛的原子排列。研究結果提供了直接證據，顯示材料內原子的排列方式對其電子特性具有可測量的影響。
「這令人驚訝，」該研究的第一作者、Jalan 團隊的研究員 Seung Gyo Jeong 說。 “我們預計會出現微妙的界面效應，但功函數不會出現如此大且可控的變化。能夠在原子尺度上可視化極移並將其直接與電子測量聯繫起來特別令人興奮。”
透過觀察微小的原子運動並將其與大的電子變化聯繫起來，研究人員能夠展示界面工程如何用作控制金屬的強大工具。
電子和量子技術的潛在應用
除了增進科學家對基礎物理學的理解之外，這項發現還有助於指導未來電子設備、催化系統和量子技術的發展。
這項研究的合作者來自明尼蘇達大學雙城分校、麻省理工學院、德州農工大學、光州科學技術學院和明尼蘇達大學雙城分校物理學院。
這項工作的資金由美國能源部和空軍科學研究辦公室提供。
