美国研究人员发现 7 伏特脉冲可改变蓝宝石内部结构

美国研究人员最近发现，对超薄电子薄膜施加 7 伏特脉冲可以引起其下方蓝宝石结构的变化。美国能源部阿贡国家实验室的科学家发现，这一影响可延伸至蓝宝石内部数十微米，深度远超薄膜本身的厚度。阿贡国家实验室的物理学家扎希尔·伊斯兰（Zahir Islam）博士及该研究的共同作者表示，这一发现挑战了微电子学中一个普遍的假设，即薄膜下的基材仅仅作为被动支撑。相反，蓝宝石在电子设备运行时会作出反应，并影响其上方薄膜的行为。

他强调：“这是一个潜在的范式转变观察。不能简单地假设基材与设备的特性或行为无关。”

蓝宝石基材的意外反应

在这项研究中，研究人员检查了生长在蓝宝石上的二氧化钒（VO2）薄膜，该薄膜在施加电压时可以从电绝缘体转变为导体。二氧化钒通常用于电子开关、无线设备、可调光学系统和智能窗户。这种材料也正在探索用于忆阻器，这是一种能够保留先前电信号数据的电子元件，因而对于类脑计算（neuromorphic computing）具有吸引力。在科学家研究的设备中，施加电压触发了从绝缘体到导体的局部转变，这在绝缘薄膜内部产生了一个狭窄的导电丝。

科学家们使用阿贡的先进光子源进行了深层结构变化的研究。该方法使他们能够检查设备内部及其表面下的结构变化。他们发现，随着电压的增加，导电丝扩展，同时在下方的蓝宝石中产生了不均匀的应变，这种变形深入刚性基材的数十微米，远超过他们仅仅根据加热预期的结果。

阿贡国家实验室的玛丽亚·戈佩特·梅耶奖学金获得者、该研究的主要作者艾略特·基谢尔（Elliot Kisiel）博士表示，团队最初怀疑蓝宝石基材的意外反应是实验工件的产物。实验工件是指由实验本身引起的错误或误导结果，而非正在研究的现象。基谢尔在新闻声明中解释道：“由于结果非常惊人，我们在多个设备、样本、薄膜厚度甚至不同基材上进行了多次测试。这一效应始终存在。”基谢尔确信，随着电子设备尺寸缩小，部件之间的距离愈来愈近，这一发现将变得愈加重要。

潜在的类脑计算应用

例如，一个设备中的活动可能会引起共享基材的机械变化，进而影响附近的设备。虽然这可能会造成问题，但也可以用于类脑计算，让互联设备模拟大脑处理信息的方式。

伊斯兰总结道：“阿贡先进光子源的卓越性能使我们能够在更短的束流时间内研究更多的设备，并捕捉高保真的丰富结构信息。”该研究已发表在《科学》期刊上。

蓝宝石在电子设备中的新角色

这项研究显示蓝宝石基材不再是被动支撑，而是能主动影响薄膜的行为，这一发现挑战了传统微电子学的假设。随着电子设备尺寸不断缩小，部件之间的相互影响将变得愈加明显，这可能会对未来电子元件的设计和功能产生深远影响。特别是在类脑计算领域，这种基材的机械变化可能被用来模拟大脑的信息处理方式，开启新的应用前景。