[发明专利]具有同构的金属绝缘体转变的二氧化钒异质结构

说明书

提供了异质结构，其包括由具有不同的金红石至单斜相变温度的二氧化钒的外延层组成的双层。还提供了包含异质结构的电气开关。双层的特征在于它们在电子转变温度下经历了单步、集体的金属‑绝缘体转变。在电子转变温度以下的温度，二氧化钒的具有较高金红石至单斜相变温度的层具有绝缘的单斜晶相，其在电子转变温度以上的温度下转化为金属单斜晶相。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年5月10日提交的美国专利申请No.15/591,454的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明是在国家科学基金会授予的DMR-1629270和海军研究办公室授予的N00014-13-1-0183的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

理解强相关材料中的金属-绝缘体转变是凝聚态物理的主要挑战之一，对基础科学和技术都有影响。相关材料在电荷、自旋和晶格自由度之间表现出强耦合，因此金属-绝缘体转变几乎总是伴随着相关联的结构相变。这种共存掩盖了基础的物理原理，从而使得难以理清控制金属-绝缘体转变的不同内在交互。此外，基于这些相关材料中的金属-绝缘体转变，结构转变一般会限制新型超快电子应用的极限开关速度和耐久性。从基础和技术的角度来看，实现同构金属-绝缘体转变的预测性指引都引起了极大的兴趣。

VO₂是具有接近室温的金属-绝缘体转变(总体为341K)的相关氧化物材料的示例。但是，VO₂中从金属相到绝缘相的转变伴随着经由形成V-V二聚体而从高对称金红石结构到低对称单斜结构的结构转变。这是由于体VO₂的固有的电子和结构相耦合引起的。

发明内容

提供了异质结构，其包括由具有不同的金红石至单斜结构转变温度的二氧化钒的外延层组成的双层。还提供了结合该异质结构的电气开关。

双层的一个实施例包括：(a)第一层二氧化钒，其特征在于它在第一结构转变温度下经历金红石至单斜结构相变；(b)与第一层二氧化钒相邻的第二层二氧化钒。第二层二氧化钒的特征在于它在高于第一结构转变温度的第二结构转变温度下经历金红石至单斜结构相变。该双层可以特征在于它在电子转变温度下经历单步金属-绝缘体电子转变。

在本文所述类型的双层中引起单步金属-绝缘体电子转变的方法的一个实施例包括：将双层维持在第一结构转变温度以上的温度；以及向双层施加外部激励，其中外部激励引起第二层二氧化钒经历从电绝缘单斜相到导电单斜相的同构电子相变。

电开关设备的一个实施例包括双层，该双层包括：第一层二氧化钒，其特征在于它在第一结构转变温度下经历金红石至单斜结构相变；以及与第一层二氧化钒相邻的第二层二氧化钒，第二层二氧化钒的特征在于它在高于第一结构转变温度的第二结构转变温度下经历金红石至单斜结构相变。该设备还包括与双层的第一区域电连通的第一导电触点；与双层的第二区域电连通的第二导电触点；以及外部激励源，其被配置为向双层施加诱导金属-绝缘体转变的外部激励。

通过阅读以下附图、详细描述和所附权利要求书，本发明的其它主要特征和优点对于本领域技术人员将变得清楚。

附图说明

在下文中将参考附图描述本发明的说明性实施例，其中相同的标号表示相同的元件。

图1是示出二氧化钒双层的关断-接通切换的示意图。

图2是结合有二氧化钒三层的平行板电容器的示意图。

图3是结合有二氧化钒双层的平面开关的示意图。

图4是结合有二氧化钒双层的场效应开关的示意图。