研究背景
在规模和结构创新的背景下，半导体行业确实面临着摩尔定律饱和的担忧，这就是通常所说的“黑暗硅时代”。特别是在云计算和物联网 (loT)的未来发展中，与处理大数据相关的挑战继续构成重大负担。
为了处理激增的数据，必须开发具有超快开关和低功耗的高性能纳米电子器件。然而，传统半导体硅具有开关能量高、传输时间长和可扩展性有限等固有局限性，因此不太适合这些要求。从本质上讲，关键不仅在于通过新的加工技术提高性能，还在于研究材料本身的基本物理特性。在这方面，莫特绝缘体为未来的探索提供了一个多样化的平台。
在各类材料中，莫特绝缘体因其多变的物理性质而被视为下一代纳米电子学的新兴材料。在各种外部激励下，莫特绝缘体中的这些多重相互作用的调制会导致金属-绝缘体转变(MIT)，从而引起电学、磁学、光学和热学性质的突然变化。尽管由于莫特绝缘体的复杂性质，其发生 MIT 的基本机制尚存在争议和不明确之处，但人们已做出大量努力，以利用这些有趣而独特的物理现象进行技术应用。这些进展在下一代多功能纳米电子学中尤为显著。
了解莫特绝缘体中 MIT 的各种机制对未来应用至关重要，因为这些行为会受到成分变化或外部激励的深刻影响。通过这些外部扰动，可以实现纳米电子学的各种要求，如精确调节电子不稳定性、控制电导切换的能力、低能耗要求、耐热性、高效光传输以及对化学变化的高灵敏度。MIT 的这些特殊性能可作为未来更复杂系统的基石。
值得注意的是，MIT 调制可逆电特性的能力已得到证实，其运行速度快，写入能量低至 100 fJ以下，显示了其在低功耗方面的巨大潜力。理解 MIT 的独特性质以及各种新兴器件的过程代表了一种基本方法，将成为未来多功能和高性能纳米电子学的关键转折点。鉴于开关操作的阈值电场可低于 105 V cm-1，低功耗功能有望在内存计算或神经形态器件等先进电子应用中实现。
此外，考虑到过渡到中间状态所需的时间仅为几皮秒， 能诱导晶格内原子运动的各种刺激，甚至是近红外线或化学源，都能有效触发 MIT 行为。MIT 行为的性质为复杂的信息处理奠定了基础，例如多感官系统或基于尖峰的系统。从本质上讲，表现出 MIT 行为的材料通过适当的刺激，利用其电、磁和光学特性，有可能在各个领域找到应用。
研究成果
莫特绝缘体中的金属-绝缘体转变与超快、显著和可逆的电阻变化相结合，引起了人们对研究下一代电子和光电设备以及从根本上了解凝聚态系统的极大兴趣。尽管莫特绝缘体中的MIT 机制仍存在争议，但人们已做出巨大努力来理解和调节 MIT 行为，以实现各种电子和光电应用。在本综述中，首尔大学Ho Won Jang & 全南大学Kootak Hong教授等人将重点介绍利用 MIT 的纳米电子学领域的最新进展。我们首先简要介绍了 MIT的物理原理及其基本机制。在讨论了各种莫特绝缘体的 MIT行为之后介绍了在设计和制造基于 MIT 的纳电子器件方面的最新进展，包括存储器、气体传感器、光电探测器、逻辑电路和人工神经网络。最后，对利用 MIT 的纳米电子学的发展和未来应用进行了展望。这篇综述可作为对未来电子和光电设备中基于 MIT 的纳米电子学设计的概述和全面了解。相关报道以“Nanoelectronics using Metal-Insulator Transition”为题发表在Advanced Materials期刊上。
图文导读
Figure 1. Summarized contents for nanoelectronics using metal-insulator transition.
Figure 2. Comparison between the transistor based on a conventional semiconductor and on a Mott insulator.
Figure 3. Various degrees of freedoms in Mott insulators.
Figure 4. Hierarchical categorization of Mott insulators.
Figure 5. Compatibility of MIT behaviors in Mott insulators.
Figure 6. Switching mechanism of Mott-memory.
总结与展望
这篇综述全面介绍了莫特绝缘体的特性，包括从基本构件之间的微观相互作用到受外部刺激调节的宏观电现象。莫特绝缘体的 MIT 特性因轨道特征和电子相关性的存在而异，这些特性的区分极大地丰富了莫特电子学在不同领域的应用。这些器件受到各种驱动力的刺激，表现出多功能性。尽管基础物理理论和发现仍有待探索，但MIT所产生的设备功能成果强调了Mott-tronics 开发的意义。为了进一步推动 Mott-tronics 的发展，需要提出一些改进建议。
1) 必须考虑采用电气或环境方法来精确控制 MT 过程中的电气和结构相变。
2) 莫特绝缘体的生长必须小心谨慎，不能诱发缺陷或非化学计量成分。
3) 在电学测量过程中进行环境控制，以保持氧的化学计量，这与精心设计的生长方法也是必要的。
4) 通过控制缺陷产生的轨道工程(可由晶格应变、界面工程或掺杂元素产生)可提高莫特绝缘体中电刺激的灵敏度，从而调节相共存特性。
5) 莫特绝缘体具有为现有系统引入新功能的潜力。然而，这些纳米电子器件要实现这一潜力，就必须满足设计电路和系统环境的要求。
文献链接
Nanoelectronics using Metal-Insulator Transition
https://doi.org/10.1002/adma.202305353
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