新的研究表明，電腦晶片設計中經常被忽視的材料實際上在資訊處理中發揮著重要作用，這項發現可能會導致更快、更有效率的電子產品。

利用先進的成像技術，由賓州州立大學研究人員領導的國際團隊發現，半導體晶片設備所依賴的材料（稱為基板）對電力變化的反應與其頂部的半導體非常相似。

研究人員研究了半導體材料二氧化釩，他們說這種材料顯示出作為電子開關的巨大潛力。他們也研究了二氧化釩如何與基材二氧化鈦相互作用，並表示他們驚訝地發現基材中似乎有一個活性層，其行為與二氧化鈦相似。半導體材料當半導體在絕緣體（不讓電流流動）和金屬（讓電流流動）之間切換時，它就會在上面。研究負責人、賓州州立大學材料科學與工程和物理學教授文卡特拉曼·戈帕蘭 (Venkatraman Gopalan) 表示，基板在半導體製程中發揮積極作用的發現對於設計未來的材料和裝置具有重要意義。

「為了跟上摩爾定律，需要新的想法來製造更小、更快的電子產品，」該書的通訊作者戈帕蘭說。

研究發表於先進材料。「追求的一個想法是二氧化釩等材料可以在萬億分之一秒內在金屬（單一狀態）和絕緣體（零狀態）狀態之間切換。這被稱為經歷金屬-絕緣體過渡。”

Gopalan 表示，二氧化釩作為金屬到絕緣體電晶體的潛力已得到充分證明，並且由於其能耗低，該材料被認為在半導體技術方面很有前景。然而，這種材料的特性仍然沒有被完全理解，到目前為止，它通常是單獨觀察的，而不是在真實設備中運行時觀察的。

二氧化釩具有強烈相關的電子效應，這意味著電子之間的排斥會幹擾設備，因此不能像目前矽基電子產品中那樣被忽視。這種特性可以使材料具有新穎的功能，例如高溫超導電性和增強的磁性。

戈帕蘭說：“人們對這種材料的基本物理原理知之甚少，其在設備幾何形狀中的性能更是知之甚少。”「如果我們能讓它們發揮作用，電子學將會復興。特別是神經形態計算——從具有神經元的生命系統的大腦中獲取靈感的計算機系統——可以通過使用此類設備而受益匪淺。 」

該團隊在設備中而不是孤立地研究二氧化釩，向其施加電壓以使其從絕緣狀態轉變為導電狀態。他們使用阿貢國家實驗室的先進光子源 (APS)，該實驗室使用強大的 X 射線束在原子層面上研究材料的行為和結構。當繪製材料對切換事件的空間和時間反應時，研究人員觀察到材料和基材的結構發生了意想不到的變化。

「我們發現，當二氧化釩薄膜變成金屬時，整個薄膜通道會凸起，這非常令人驚訝，」戈帕蘭說。“通常情況下它應該會收縮。很明顯，膠片幾何形狀中還發生了一些以前被忽略的事情。”

APS X 射線穿透二氧化釩薄膜並進入二氧化鈦 (TiO₂）基板（通常被認為是電氣和機械被動材料），薄膜生長在其上。

「我們非常驚訝地發現，當電脈衝到達時，當薄膜從絕緣體切換到金屬並返回時，這種基板非常活躍，以完全令人驚訝的方式抖動和響應，」戈帕蘭說。“這就像看著尾巴搖狗一樣，這讓我們困惑了很長一段時間。這一令人驚訝且之前被忽視的觀察結果完全改變了我們看待這項技術的方式。”

為了理解這些發現，由賓州州立大學哈默材料科學與工程教授、工程科學與力學和數學教授陳龍慶領導的理論和模擬工作開發了一個理論框架來解釋整個過程薄膜和基材的膨脹而不是收縮。當他們的模型納入自然發生的缺失時氧原子在這種帶電和不帶電兩種材料中，實驗結果可以得到令人滿意的解釋。

戈帕蘭說：“這些中性氧空位含有兩個電子，當材料從絕緣體轉變為金屬時，它們可以釋放這些電子。”「留下的氧空位現在帶電並膨脹，導致裝置中觀察到令人驚訝的膨脹。這種情況也可能發生在基板中。所有這些物理過程陳教授課題組的博士後石印首次在這項工作中進行了相場理論和建模，完美地捕捉到了這些現象。

Gopalan 將這一新的認識歸功於多學科團隊在材料生長、合成、結構分析和同步加速器光束線操作方面的綜合專業知識。使用協作方法在美國陸軍物理科學家、首席實驗作者 Greg Stone 和賓州州立大學博士後學者、首席理論作者 Yin Chi 的領導下，研究人員解開了材料的反應，並使用相場模擬單獨觀察了它們。中描繪物質的各種狀態，幫助科學家了解物質隨時間的變化。

柏林保羅·德魯德固態電子研究所所長羅曼·恩格爾-赫伯特(Roman Engel-Herbert) 表示：「透過將這些專家聚集在一起並彙集我們對問題的理解，我們能夠遠遠超越我們個人的專業知識範圍並發現新的東西。

“認識到功能材料的潛力需要了解其更廣泛的背景，就像複雜的科學挑戰只能通過擴大我們的個人視角來解決一樣。”

這種合作使得在短時間內取得了顯著的進展，並在更短的時間內完成了工作，並帶來了來自多個學科的各種觀點。

研究人員表示，這些反應本身需要進一步調查，但他們相信，了解它們將有助於識別以前未知的能力。二氧化釩，包括 TiO2 中潛在的尚未發現的現象₂在這項研究之前被認為是被動的基板。戈帕蘭指出，這項研究本身已經進行了十多年，包括驗證結果。

戈帕蘭說：“這就是從有趣的科學到可以握在手掌上的工作設備所需要的。”「實驗和理論都很複雜，需要大規模協作團隊在很長一段時間內密切合作，才能解決可能產生重大影響的難題。我們希望並期望這將加速新一代電子設備的進展」。