电场驱动可逆锂掺杂实现二氧化钒晶面依赖相变
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科研动态
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电场驱动可逆锂掺杂实现二氧化钒晶面依赖相变
 发布时间:2018-07-05  大小:【

氧化物强关联体系中的电荷、轨道、自旋和晶格这四个自由度与其宏观物性密切相关,因此对其物性的调控本质上就是对上述自由度的可控调制。作为典型的强关联二元过渡金属氧化物,二氧化钒(VO2)在68oC时具有四到五个量级的绝缘-金属相变性质。VO2的各种光电功能特性均与其相变密切相关,然而其相对过高的相变温度成为其实际应用的一大瓶颈问题。因此实现可控的常温相变对于揭示其相变机理和推动实际应用均具有重要意义。近期,中国科学技术大学国家同步辐射实验室邹崇文研究组与微尺度国家研究中心江俊研究组合作,通过电场驱动可逆锂掺杂实现了常温VO2面依赖相变。相关结果发表于 Nano Energy 51 (2018) 300–307,通讯作者为邹崇文副研究员,第一作者为国家同步辐射实验室博士生陈宇粮和微尺度国家研究中心访问学者王赵武博士。

  

研究人员采用三端场效应管模型,无水液体锂电解液作为电介质, 通过施加不同的门极电压可以控制锂原子进入/脱出VO2晶格,实现了室温下的可控相变。有趣的是,研究人员发现当不同晶面的样品被使用时具有不同的调节效果是不一样的,VO2001)面的调节效果最显著。同步辐射X射线衍射也显示只有当[001]晶轴在面外的VO2样品才能实现晶格膨胀,而对[001]晶轴在面内的样品没有无此效果。同步辐射软X射线吸收谱表明这种金属-绝缘转变来自于电子浓度升高,锂的嵌入实现了电子对V 3dO 2p 杂化t2g 轨道的逐步填充。第一性原理计算证明了锂原子沿着[001]晶轴扩散的势垒最低,这与我们观察到的面依赖效果是一致的。

  

此外邹崇文研究组还与宋礼教授课题组合作,实现了大尺寸VO2柔性外延薄膜的生长和红外光电器件的制备,相关结果也发表于Nano Energy 31 (2017)144-151,并在近期获得国家发明专利(专利号:ZL2016 1 0355319.5)

  

上述研究工作受到了科技部青年973和重大研发计划项目、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和中科院青年创新促进会等项目的资助。

  

图示: 调控锂离子的FET结构示意图以及gate电压下的电学和结构表征

 

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