西北大学的工程研究人员开发了一种新的设计策略，来识别表现出金属-绝缘体过渡(MIT)的新材料。
这种新方法可以加速未来更快的微电子产品的设计和交付，以及未来电子产品的量子材料平台。
“我们的方法使用阴离子替代原子尺度和识别关键的麻省理工学院属性来识别潜在的heteroanionic麻省理工学院的材料,还没有被广泛认为这一点,”James Rondinelli说材料科学和工程学副教授和莫里斯·e·好初级材料和制造教授麦考密克工程学院的领导团队。“我们希望通过形成这些电子结构-性质的关系，未来可以设计出量子材料的新跃迁。”
12月3日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文概述了这项工作，题为《展示佩尔斯金属-绝缘体跃迁的异阴离子月球的设计》(Design of异阴离子MoON A Peierls metal -绝缘体跃迁)。Rondinelli与材料科学与工程系的研究助理教授Danilo Puggioni是该论文的共同通讯作者。
在西北大学的Quest高性能计算集群中，Rondinelli和研究人员利用量子力学计算机模拟，设计了这种新材料的微尺度晶体结构，称为氧化氮化钼(MoON)，来主持相变。研究人员发现，麻省理工学院的温度接近600摄氏度，显示出它在高温传感器和电力电子领域的应用潜力。
研究小组注意到多种设计参数影响了月球的相变。在材料中包含多个阴离子——在本例中是带负电荷的氧离子和氮离子——激活了相变，这是由于特定的电子构型与电子轨道的空间定向有关，支持了先前在其他二元MIT材料中的发现。此外，月球上灵活的金红石晶体结构使导电和绝缘状态之间具有可逆性。
这些发现为纳米尺度上的细微变化如何用于控制材料的宏观行为(如导电性)提供了思路。
“在过去的十年里，人们做了大量的工作来理解MIT的材料并发现新的材料;然而，目前已知只有不到70种独特的化合物表现出这种热转变，”Rondinelli说。“我们在设计中融入了MIT材料的关键特性，包括特殊的微尺度结构特性，以及关键的d1电子构型。”我们的项目利用了一种方式，我们和其他人可以使用关键的第一原则设计概念来扩展麻省理工学院的相空间，并有效地追求新的麻省理工学院材料。”
科学家们希望通过建立这些电子结构-性质的关系，未来可以设计出量子材料的新跃迁。这些化合物可用作晶体管或存储器的有源层。
Rondinelli说:“麻省理工学院的材料代表了一类相变，可能使信息处理和存储方面的进步超越微电子领域传统的互补金属氧化物半导体标度。”这意味着更快的设备和更多的存储能力。此外，麻省理工学院的材料可以实现低功耗微电子系统，这意味着你将需要更少的给你的设备充电，因为它持续的时间更长，因为组件需要的电力更少。”
这项工作得到了美国国家科学基金会(NSF)西北大学材料研究中心MRSEC项目(奖励号为DMR-1720319)和DMR-1454688下的NSF的支持。计算贡献由陆军研究办公室通过W911NF-15-1-0017号拨款支持。
——文章发布于2019年12月3日
