- 研究顯示 7 伏特脈衝可改變藍寶石內部結構。
- 藍寶石基材在電子設備運行時會影響薄膜行為。
- 二氧化釩薄膜可在施加電壓時轉變為導體。
- 研究結果對未來電子設備設計具有重要意義。
美國研究人員最近發現，對超薄電子薄膜施加 7 伏特脈衝可以引起其下方藍寶石結構的變化。美國能源部阿爾戈尼國家實驗室的科學家發現，這一影響可延伸至藍寶石內部數十微米，深度遠超薄膜本身的厚度。阿爾戈尼國家實驗室的物理學家扎希爾·伊斯蘭（Zahir Islam）博士及該研究的共同作者表示，這一發現挑戰了微電子學中一個普遍的假設，即薄膜下的基材僅僅作為被動支持。相反，藍寶石在電子設備運行時會作出反應，並影響其上方薄膜的行為。
他強調：「這是一個潛在的範式轉變觀察。不能簡單地假設基材與設備的特性或行為無關。」
藍寶石基材的意外反應
在這項研究中，研究人員檢查了生長在藍寶石上的二氧化釩（VO2）薄膜，該薄膜在施加電壓時可以從電絕緣體轉變為導體。二氧化釩通常用於電子開關、無線設備、可調光學系統和智能窗戶。這種材料也正在探索用於記憶電阻器，這是一種能夠保留先前電信號數據的電子元件，因而對於類神經計算（neuromorphic computing）具有吸引力。在科學家研究的設備中，施加電壓觸發了從絕緣體到導體的局部轉變，這在絕緣薄膜內部產生了一個狹窄的導電絲。
科學家們使用阿爾戈尼的先進光子源進行了深層結構變化的研究。該方法使他們能夠檢查設備內部及其表面下的結構變化。他們發現，隨著電壓的增加，導電絲擴展，同時在下方的藍寶石中產生了不均勻的應變，這種變形深入剛性基材的數十微米，遠超過他們僅僅根據加熱預期的結果。
阿爾戈尼國家實驗室的瑪麗亞·戈佩特·梅耶獎學者、該研究的主要作者艾略特·基謝爾（Elliot Kisiel）博士表示，團隊最初懷疑藍寶石基材的意外反應是實驗工件的產物。實驗工件是指由實驗本身引起的錯誤或誤導結果，而非正在研究的現象。基謝爾在新聞聲明中解釋道：「由於結果非常驚人，我們在多個設備、樣本、薄膜厚度甚至不同基材上進行了多次測試。這一效應始終存在。」基謝爾確信，隨著電子設備尺寸縮小，部件之間的距離愈來愈近，這一發現將變得愈加重要。
潛在的類神經計算應用
例如，一個設備中的活動可能會引起共享基材的機械變化，進而影響附近的設備。雖然這可能會造成問題，但也可以用於類神經計算，讓互聯設備模擬大腦處理資訊的方式。
伊斯蘭總結道：「阿爾戈尼先進光子源的卓越性能使我們能夠在更短的束流時間內研究更多的設備，並捕捉高保真的豐富結構資訊。」該研究已發表在《科學》期刊上。
藍寶石在電子設備中的新角色
這項研究顯示藍寶石基材不再是被動支持，而是能主動影響薄膜的行為，這一發現挑戰了傳統微電子學的假設。隨著電子設備尺寸不斷縮小，部件之間的相互影響將變得愈加明顯，這可能會對未來電子元件的設計和功能產生深遠影響。特別是在類神經計算領域，這種基材的機械變化可能被用來模擬大腦的資訊處理方式，開啟新的應用前景。