电触发二氧化钒纳米线发生金属-绝缘体转变的机理

二氧化钒(VO_2)是一种强关联相变材料,在341 K下发生金属-绝缘体转变.尽管对于VO_2相变的物理机理进行了大量研究,但科学家仍未形成统一认识.与热致VO_2相变相比,电触发VO_2相变应用前景更为广阔,但其机理也更为复杂.本文利用原位通电杆和超快相机技术,在透射电镜下原位观察了单晶VO_2纳米线通电时的相转变过程,记录了相变过程中对应的电压-电流值,并在毫秒尺度下捕捉到了VO_2的过渡相态.发现VO_2电致相变并非由焦耳热引起,推断其机理是载流子注入.同时观察到电子结构相变和晶体结构相变存在解耦现象,进一步支持了上述推断.将VO_2纳米线两端施加非接触式电场,观察到VO_2纳米线在电场中的极化偏移,而未观察到相变发生,该现象同样支持相变的载流子注入机理.研究表明VO_2的金属-绝缘体转变遵循电子-电子关联机理,即根据电子关联的Mott转变进行.     

VO2金属-绝缘体相变机理的研究进展

VO₂是一种热致相变金属氧化物. 在341 K附近, VO₂发生由低温绝缘体相到高温金属相的可逆转变, 同时伴随着光学、电学和磁学等性质的可逆突变, 这种独特的性质使得VO₂在光电开关材料、智能玻璃、存储介质材料等领域有着广阔的应用前景. 因此, VO₂金属-绝缘体可逆相变一直是人们的研究热点, 但其相变机理至今未有定论. 首先, 简要概述了VO₂相变时晶体结构和能带结构的变化情况: 从晶体结构来讲, 相变前后VO₂从低温时的单斜相VO₂(M)转变为高温稳定的金红石相VO₂(R), 在一定条件下此过程也可能伴随着亚稳态单斜相VO₂(B)与四方相VO₂(A)的产生; 从能带结构来看, VO₂处于低温单斜相时, 其d_//能带和π^*能带之间存在一个禁带, 带宽约为0.7 eV, 费米能级恰好落在禁带之间, 表现出绝缘性, 而在高温金红石相时, 其费米能级落在π^*能带与d_//能带之间的重叠部分, 因此表现出金属导电性. 其次, 着重总结了VO₂相变物理机理的研究现状. 主要包括: 电子关联驱动相变、结构驱动相变以及电子关联和结构共同驱动相变的3种理论体系以及支撑这些理论体系的实验结果. 文献报道争论的焦点在于, VO₂是否是Mott绝缘体以及结构相变与MIT相变是否精确同时发生. 最后, 展望了VO₂材料研究的发展方向.     

低温拉曼光谱研究二氧化钛纳米晶的相变

本文通过对二氧化钛纳米晶在-190℃温度的低温拉曼光谱的研究,得到了在二氧化钛纳米晶聚集体中,可以发生锐钛矿到板钛矿然后到金红石和/或直接到金红石的相变;也可发生板钛矿到锐钛矿然后到金红石和/或直接到金红石的相变。     

β-MnO2高压相的从头计算模拟

 基于密度泛函理论（DFT），用完全势能线性缀加平面波方法（FPLAPW）计算模拟了MnO₂的同质多相变体（金红石型结构、CaCl₂型结构、黄铁矿型结构），通过计算，预测了β-MnO₂在5 GPa时从金红石型结构转变为CaCl₂型结构，在20 GPa时进一步转变为黄铁矿型结构。另外，还总结和比较了几种金红石型结构二氧化物的压致相变特点，得出第Ⅳ主族元素的金红石型结构氧化物有很好的规律性，发生的相变序列基本一致；并随着金属阳离子半径的增大，发生相变的压力值也相应地递减，各氧化物的体积模量值相应地减小。     

微区Raman光谱在TiO_2高压结构相变研究中的应用

本文以金红石单晶TiO2和锐钛矿多晶TiO2为研究对象,应用金刚石小压机和原位拉曼光谱测量技术,系统研究了室温高压下TiO2的结构相变。原位拉曼测量表明,金红石单晶TiO2在压力达到12.91GPa时开始发生由金红石结构向斜锆石结构(MI)的相变,当压力达到14.16 GPa时,相变完成;继续加压到21.65 GPa,没有发现进一步的相变;卸压时由斜锆石结构转变为PbO2结构,相变发生在大约7.11 GPa处。锐钛矿多晶TiO2在压力达到4.26 GPa时开始向PbO2结构转变,当压力达到8.34 GPa时相变完成;继续加压到12.94 GPa,样品开始发生由PbO2结构向斜锆石结构的相变,当压力达到18.74 GPa时相变完成;继续加压到21.39 GPa,没有发现进一步的相变;卸压时也由斜锆石结构转变为PbO2结构,起始相变压力点应高于8 GPa。     

热处理对爆轰合成的纳米TiO_2混晶的结构相变的影响

采用爆轰法制备了纳米TiO2混晶体,初步研究了不同煅烧温度(600℃和720℃)和不同煅烧时间(1 h,2 h,3.5 h和5 h)对其微结构和结构相变行为的影响,并应用热动力学理论讨论了从锐钛矿相到金红石相的结构相变过程和相变机理.研究表明:随着煅烧温度的升高和煅烧时间的增加,纳米TiO2的粒径逐渐增大,混晶中金红石相的含量逐渐提高.与常规方法制备的纳米TiO2不同的是,在相同煅烧温度和煅烧时间下金红石相的平均生长速率明显低于锐钛矿相.锐钛矿相完全相变为金红石的温度也明显低于常规方法报道的相变温度.该研究会对控制纳米TiO2晶体尺寸和批量合成提供一定的理论和实验指导.     

二氧化钒薄膜低温制备及其太赫兹调制特性研究

针对二氧化钒(VO2)薄膜在可调谐太赫兹功能器件中的应用,利用低温磁控溅射技术,在太赫兹和光学频段透明的BK7玻璃上制备出高质量的VO2薄膜.晶体结构和微观形貌分析显示薄膜为单相VO2单斜金红石结构,具有明显的(011)晶面择优取向,结构致密,表面平整.利用四探针技术和太赫兹时域光谱系统分析了薄膜的绝缘体-金属相变特性,发现相变过程中薄膜电阻率变化达到4个数量级,同时对太赫兹透射强度具有强烈的调制作用,调制深度高达89％.通过电学相变和太赫兹光学相变特性的对比研究,证实薄膜的电阻率突变主要与逾渗通路的形成有关,而太赫兹幅度的调制则来源于薄膜中载流子浓度的变化.该薄膜制备简单,成膜质量高,太赫兹调制性能优异,可应用于太赫兹开关和调制器等集成式太赫兹功能器件.     

金红石→萤石TiO2相变的第一性原理计算

利用第一性原理平面波密度泛函理论并结合准谐德拜模型,对TiO₂从金红石结构到萤石结构的相变进行理论研究.依据焓相等原理,得到TiO₂从金红石结构到萤石结构的相变压强为45.32 GPa,并通过吉布斯能的计算发现相变压强随温度的增加而增加,运用拟合的方法估计实验条件下的相变压强(温度为1900-2100K时,P_t=47.604~47.756 GPa).运用等吉布斯能原理,得到零压下从金红石到萤石结构TiO₂的相变温度为2029 K.计算结果与实验及其他理论值相符,并通过准谐德拜模型成功获得相变前后的结构和热力学性质,如相对体积、热膨胀系数、热容和德拜温度等.     

锆钛酸钡陶瓷的电场诱导相变特性研究

Ba(Zr0.2Ti0.8)O3(BZT)陶瓷,其铁电相变温度接近室温.对BZT陶瓷的电场诱导相变进行了研究,结果表明介电常数随着电场的增加而减小,预示着电场诱导相变行为.电场强度影响陶瓷的介电常数峰值的位置,并且在广泛温度范围内影响介电常数的大小.介电常数峰值位置随电场的变化量ΔTm 与电场满足如下关系:ΔTm ～ E2/3,说明BZT发生了类似的二级相变行为.     

高压下SiO_2的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,采用Hartree-Fork(HF)方法,分别计算了Si O2的α-石英结构、金红石结构以及氯化钙结构的总能量随体积的变化关系。利用Murnaghan状态方程,通过能量和体积拟合,得到了3种结构的体变模量及其对压强的一阶导数。计算结果表明,随着压强的增加,Si O2会从α-石英结构转变为金红石结构,与实验结果和其它理论结果一致;金红石结构与氯化钙结构之间不存在相变,可以共存。此外,对具有α-石英结构的Si O2的晶格常数、电子态密度和带隙随压强的变化关系进行了计算和分析,结果表明:加压作用下,能带向高能方向移动,Si─O键缩短,电子数转移增加,带隙展宽,电荷发生重新分布。     

金属Pt薄膜上二氧化钒的制备及其电致相变性能研究

通过引入SiO₂氧化物缓冲层, 在金属Pt电极上利用射频磁控溅射技术成功制备出高质量的VO₂薄膜. 详细研究了SiO₂厚度对VO₂薄膜的晶体结构、微观形貌和绝缘体–金属相变(MIT)性能的影响. 结果表明厚度0.2 μm以上的SiO₂缓冲层能够有效 消除VO₂薄膜与金属薄膜之间的巨大应力, 制备出具有明显相变特性的VO₂薄膜. 当缓冲层达到0.7 μm以上, 获得的薄膜具有明显的(011)晶面择优取向, 表面平整致密, 相变前后电阻率变化达到3个数量级以上. 基于该技术制备了Pt-SiO₂/VO₂-Au三明治结构, 通过在垂直膜面方向施加很小的驱动电压, 观察到明显的阶梯电流跳跃, 证实实现了电致绝缘体–金属相变过程. 该薄膜制备工艺简单, 性能稳定, 器件结构灵活可应用于集成式电控功能器件. 关键词： 二氧化钒薄膜 相变特性 电致相变 阈值电压     

用于红外激光防护的高开关率VO2薄膜

采用反应离子束溅射和后退火处理技术在石英玻璃基底上制备了具有纳米粒子的二氧化钒(VO₂)薄膜. 该薄膜具有半导体-金属相变特性,在3 μm处的开关率达到76.6%。 热致相变实验结果给出了准确的最佳退火温度为465 ℃. 仿真、热致相变和光致相变实验都显示VO₂薄膜在红外波段具有很高的光学开关特性. 光电池防护实验结果显示VO₂薄膜将硅光电池的抗干扰能力提升了2.6倍, 证明了VO₂在激光防护中的适用性. 采用连续可调节系统研究得到VO₂在室温条件下的相变阈值功率密度为4.35 W/cm², 损伤阈值功率密度为404 W/cm²。 低相变阈值和高损伤阈值都进一步证明VO₂薄膜适用于激光防护系统。本实验制备的VO₂薄膜在光开关、光电存储器、智能窗等方面也具有广泛的应用价值.     

Manipulating metal-insulator transitions of VO2 films via embedding Ag nanonet arrays

Manipulating metal-insulator transitions in strongly correlated materials is of great importance in condensed matter physics, with implications for both fundamental science and technology. Vanadium dioxide (VO₂), as an ideal model system, is metallic at high temperatures and shown a typical metal-insulator structural phase transition at 341 K from rutile structure to monoclinic structure. This behavior has been absorbed tons of attention for years. However, how to control this phase transition is still challenging and little studied. Here we demonstrated that to control the Ag nanonet arrays (NAs) in monoclinic VO₂(M) could be effective to adjust this metal-insulator transition. With the increase of Ag NAs volume fraction by reducing the template spheres size, the transition temperature (T_c) decreased from 68° to 51°. The mechanism of T_c decrease was revealed as:the carrier density increases through the increase of Ag NAs volume fraction, and more free electrons injected into the VO₂ films induced greater absorption energy at the internal nanometal-semiconductor junction. These results supply a new strategy to control the metal-insulator transitions in VO₂, which must be instructive for the other strongly correlated materials and important for applications.     

Probing thermal properties of vanadium dioxide thin films by time-domain thermoreflectance without metal film

Vanadium dioxide(VO_2) is a strongly correlated material, and it has become known due to its sharp metal–insulator transition(MIT) near room temperature. Understanding the thermal properties and their change across MIT of VO_2 thin film is important for the applications of this material in various devices. Here, the changes in thermal conductivity of epitaxial and polycrystalline VO_2 thin film across MIT are probed by the time-domain thermoreflectance(TDTR) method.The measurements are performed in a direct way devoid of deposition of any metal thermoreflectance layer on the VO_2 film to attenuate the impact from extra thermal interfaces. It is demonstrated that the method is feasible for the VO_2 films with thickness values larger than 100 nm and beyond the phase transition region. The observed reasonable thermal conductivity change rates across MIT of VO_2 thin films with different crystal qualities are found to be correlated with the electrical conductivity change rate, which is different from the reported behavior of single crystal VO_2 nanowires. The recovery of the relationship between thermal conductivity and electrical conductivity in VO_2 film may be attributed to the increasing elastic electron scattering weight, caused by the defects in the film. This work demonstrates the possibility and limitation of investigating the thermal properties of VO_2 thin films by the TDTR method without depositing any metal thermoreflectance layer.     

基于FTO/VO2/FTO结构的VO2薄膜电压诱导相变光调制特性

采用直流磁控溅射和后退火工艺在掺氟的SnO₂(FTO)导电玻璃衬底上制备VO₂薄膜, 研究了不同退火时间和不同比例的氮氧气氛对VO₂薄膜性能的影响, 对VO₂薄膜的结晶取向、表面形貌、表面元素的相对含量和透过率随波长变化进行了测试分析, 结果表明在最佳工艺条件下制备得到了组分相对单一的VO₂薄膜. 基于FTO/VO₂/FTO结构在VO₂薄膜两侧的透明导电膜上施加电压并达到阈值电压时, 观察到了明显的电流突变. 当接触面积为3 mm×3 mm时, 阈值电压为1.7 V, 阈值电压随接触面积的增大而增大. 与不加电压的情况相比, FTO/VO₂/FTO结构在电压作用下高低温的红外透过率差值可达28%, 经反复施加电压, 该结构仍保持性能稳定, 具有较强的电致调控能力.     

高温氢退火还原V2O5制备二氧化钒薄膜及其性能的研究

过渡金属氧化物二氧化钒(VO₂)在温度340 K附近会发生金属绝缘体的转变(metal-insulator transition, MIT). 基于金属绝缘体的转变性质, VO₂薄膜材料具有很好的应用前景. 本文首先采用脉冲激光沉积制备了高质量的V₂O₅薄膜, 再通过高温氢退火还原V₂O₅薄膜制备出VO₂多晶薄膜. 研究了不同的退火温度、退火时间、退火气氛对VO₂薄膜制备的影响, 采用X射线衍射、X射线光电子能谱、变温电阻特性测量等手段对样品进行分析, 发现在H₂(5%)/Ar退火气氛下, 在一定的退火温度范围内(500–525 ℃), 退火 3 h, 得到了B相和M相共存的VO₂薄膜, 具有M相的VO₂的MIT特性, 而相同退火温度下退火时间达到4.5 h, 薄膜完全变成B相的VO₂. 通过纯Ar气氛下对B相VO₂再退火, 得到了转变温度为350 K, 电阻突变接近4个数量级的M相的VO₂薄膜. 实现了VO₂的B相和M相的相互转变. 关键词： 2薄膜')" href="#">VO₂薄膜 金属绝缘体转变 氢退火     

掺钨VO_2薄膜的电致相变特性

采用直流磁控溅射与后退火工艺相结合的方法,在掺氟SnO_2(FTO)导电玻璃基底上制备了高质量的掺钨VO_2薄膜,对薄膜的结构、表面形貌和光电特性进行测试,分析了钨掺杂对其相变性能的影响.结果表明,室温下掺钨VO_2薄膜的阈值电压为4.2 V,观察到阈值电压下约有两个数量级的电流突变.随着温度升高,相变的阈值电压降低,且电流突变幅度减小.当施加8 V电压时,分别在不同温度下测试了掺钨VO_2薄膜的透过率.温度为20和50℃时,掺钨VO_2薄膜相变前后的红外透过率差量分别为23%和27%.与未掺杂的VO_2薄膜相比,掺钨VO_2薄膜具有相变温度低、阈值电压低和电阻率小的特点,在高速光电器件中有广阔的应用前景.     

VO2薄膜表面氧缺陷的修复:F4TCNQ分子吸附反应

VO₂表面氧缺陷的存在对VO₂材料具有显著的电子掺杂效应, 极大地影响材料的本征电子结构和相变性质. 通过2, 3, 5, 6-四氟-7, 7', 8, 8'-四氰二甲基对苯醌(F₄TCNQ)分子表面吸附反应, 可以有效消除表面氧缺陷及其电子掺杂效应. 利用同步辐射光电子能谱和X射线吸收谱原位研究了修复过程中电子结构的变化以及界面的化学反应, 发现这种方式使得VO₂薄膜样品氩刻后得到的V³⁺失去电子成功地被氧化成原先的V⁴⁺, 同时F₄TCNQ分子吸附引起电子由衬底向分子层转移, 界面形成带负电荷的分子离子物种. 受电化学性质的制约, F₄TCNQ分子吸附反应修复氧缺陷较氧气氛退火更安全有效, 不会引起表面过度氧化形成V₂O₅.