Published June 12, 2020
| Version v1
Publication
Open
Non-thermal resistive switching in Mott insulator nanowires
Creators
- 1. Universidad Católica Santo Domingo
- 2. Institute of Astronomy and Space Physics
- 3. Laboratoire de physique des Solides
Description
Resistive switching can be achieved in a Mott insulator by applying current/voltage, which triggers an insulator-metal transition (IMT). This phenomenon is key for understanding IMT physics and developing novel memory elements and brain-inspired technology. Despite this, the roles of electric field and Joule heating in the switching process remain controversial. We resolve this issue by studying nanowires of two archetypical Mott insulators - VO2 and V2O3. Our findings show a crossover between two qualitatively different regimes. In one, the IMT is driven by Joule heating to the transition temperature, while in the other, field-assisted carrier generation gives rise to a doping driven IMT which is purely non-thermal. By identifying the key material properties governing these phenomena, we propose a universal mechanism for resistive switching in Mott insulators. This understanding enabled us to control the switching mechanism using focused ion-beam irradiation, thereby facilitating an electrically driven non-thermal IMT. The energy consumption associated with the non-thermal IMT is extremely low, rivaling that of state of the art electronics and biological neurons. These findings pave the way towards highly energy-efficient applications of Mott insulators.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يمكن تحقيق التبديل المقاوم في عازل Mott من خلال تطبيق التيار/الجهد، مما يؤدي إلى انتقال عازل معدني (IMT). هذه الظاهرة هي المفتاح لفهم فيزياء IMT وتطوير عناصر ذاكرة جديدة وتكنولوجيا مستوحاة من الدماغ. على الرغم من ذلك، لا تزال أدوار المجال الكهربائي وتسخين الجول في عملية التبديل مثيرة للجدل. نحل هذه المشكلة من خلال دراسة الأسلاك النانوية لاثنين من عوازل موت النموذجية - VO2 و V2O3. تُظهر النتائج التي توصلنا إليها تقاطعًا بين نظامين مختلفين نوعيًا. في أحدهما، يتم تشغيل IMT بواسطة تسخين الجول إلى درجة حرارة الانتقال، بينما في الحالة الأخرى، يؤدي توليد الناقل بمساعدة الحقل إلى ظهور IMT مدفوع بالمنشطات وهو غير حراري بحت. من خلال تحديد خصائص المواد الرئيسية التي تحكم هذه الظواهر، نقترح آلية عالمية للتبديل المقاوم في عوازل موت. مكننا هذا الفهم من التحكم في آلية التبديل باستخدام تشعيع الحزمة الأيونية المركزة، وبالتالي تسهيل فريق إدارة الحوادث غير الحراري الذي يعمل بالكهرباء. استهلاك الطاقة المرتبط بـ IMT غير الحراري منخفض للغاية، مما ينافس استهلاك الإلكترونيات الحديثة والخلايا العصبية البيولوجية. تمهد هذه النتائج الطريق نحو تطبيقات عالية الكفاءة في استخدام الطاقة لعوازل موت.Translated Description (French)
La commutation résistive peut être réalisée dans un isolant de Mott en appliquant un courant/une tension, ce qui déclenche une transition isolant-métal (IMT). Ce phénomène est essentiel pour comprendre la physique IMT et développer de nouveaux éléments de mémoire et une technologie inspirée du cerveau. Malgré cela, les rôles du champ électrique et du chauffage par effet joule dans le processus de commutation restent controversés. Nous résolvons ce problème en étudiant les nanofils de deux isolants de Mott archétypaux - VO2 et V2O3. Nos résultats montrent un croisement entre deux régimes qualitativement différents. Dans l'un, l'IMT est entraîné par chauffage Joule à la température de transition, tandis que dans l'autre, la génération de porteurs assistée par champ donne lieu à un IMT entraîné par dopage qui est purement non thermique. En identifiant les propriétés matérielles clés régissant ces phénomènes, nous proposons un mécanisme universel de commutation résistive dans les isolateurs de Mott. Cette compréhension nous a permis de contrôler le mécanisme de commutation à l'aide d'une irradiation par faisceau d'ions focalisée, facilitant ainsi un IMT non thermique à commande électrique. La consommation d'énergie associée à l'IMT non thermique est extrêmement faible, rivalisant avec celle de l'électronique de pointe et des neurones biologiques. Ces résultats ouvrent la voie à des applications hautement écoénergétiques des isolateurs Mott.Translated Description (Spanish)
La conmutación resistiva se puede lograr en un aislante Mott aplicando corriente/voltaje, lo que desencadena una transición aislante-metal (IMT). Este fenómeno es clave para comprender la física de las IMT y desarrollar nuevos elementos de memoria y tecnología inspirada en el cerebro. A pesar de esto, los roles del campo eléctrico y el calentamiento Joule en el proceso de conmutación siguen siendo controvertidos. Resolvemos este problema estudiando los nanocables de dos aislantes Mott arquetípicos: VO2 y V2O3. Nuestros hallazgos muestran un cruce entre dos regímenes cualitativamente diferentes. En uno, la IMT es impulsada por el calentamiento de Joule a la temperatura de transición, mientras que en el otro, la generación de portadoras asistida por campo da lugar a una IMT impulsada por dopaje que es puramente no térmica. Al identificar las propiedades materiales clave que rigen estos fenómenos, proponemos un mecanismo universal para la conmutación resistiva en aisladores Mott. Esta comprensión nos permitió controlar el mecanismo de conmutación utilizando irradiación de haz de iones enfocado, facilitando así un IMT no térmico accionado eléctricamente. El consumo de energía asociado al IMT no térmico es extremadamente bajo, rivalizando con el de la electrónica de última generación y las neuronas biológicas. Estos hallazgos allanan el camino hacia aplicaciones de alta eficiencia energética de los aisladores Mott.Files
s41467-020-16752-1.pdf.pdf
Files
(1.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:6afa059bfedca53753e4e3d42b66928c
|
1.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التبديل المقاوم غير الحراري في الأسلاك النانوية لعازل موت
- Translated title (French)
- Commutation résistive non thermique dans les nanofils isolants de Mott
- Translated title (Spanish)
- Conmutación resistiva no térmica en nanocables aislantes Mott
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3035340980
- DOI
- 10.1038/s41467-020-16752-1
References
- https://openalex.org/W1199176172
- https://openalex.org/W1513891020
- https://openalex.org/W1521233350
- https://openalex.org/W1534252348
- https://openalex.org/W1592828091
- https://openalex.org/W1595384586
- https://openalex.org/W1909411774
- https://openalex.org/W1966025990
- https://openalex.org/W1968061546
- https://openalex.org/W1976198489
- https://openalex.org/W1978677567
- https://openalex.org/W1986389668
- https://openalex.org/W1988150410
- https://openalex.org/W1990663082
- https://openalex.org/W2000683869
- https://openalex.org/W2000975294
- https://openalex.org/W2016238402
- https://openalex.org/W2017045313
- https://openalex.org/W2026672318
- https://openalex.org/W2031684130
- https://openalex.org/W2031882613
- https://openalex.org/W2033439669
- https://openalex.org/W2033468736
- https://openalex.org/W2037595295
- https://openalex.org/W2037610675
- https://openalex.org/W2038950195
- https://openalex.org/W2040825388
- https://openalex.org/W2060627989
- https://openalex.org/W2066051615
- https://openalex.org/W2071692737
- https://openalex.org/W2076023742
- https://openalex.org/W2082239369
- https://openalex.org/W2090229769
- https://openalex.org/W2093330102
- https://openalex.org/W2094032139
- https://openalex.org/W2122385907
- https://openalex.org/W2126176903
- https://openalex.org/W2129610161
- https://openalex.org/W2130758325
- https://openalex.org/W2163327968
- https://openalex.org/W2179896557
- https://openalex.org/W2316425622
- https://openalex.org/W2330193310
- https://openalex.org/W2332032797
- https://openalex.org/W2337715018
- https://openalex.org/W2567070583
- https://openalex.org/W2577612059
- https://openalex.org/W2582645878
- https://openalex.org/W2589575968
- https://openalex.org/W2594212404
- https://openalex.org/W2743455512
- https://openalex.org/W2745862610
- https://openalex.org/W2749580185
- https://openalex.org/W2755163763
- https://openalex.org/W2766304398
- https://openalex.org/W2768478583
- https://openalex.org/W2789594986
- https://openalex.org/W2811159725
- https://openalex.org/W2883983531
- https://openalex.org/W2903407839
- https://openalex.org/W2922172326
- https://openalex.org/W2943790880
- https://openalex.org/W2964139799
- https://openalex.org/W3009979315
- https://openalex.org/W3099086962
- https://openalex.org/W3103381720
- https://openalex.org/W3104803260