Fabrication of VO_2 thin film by rapid thermal annealing in oxygen atmosphere and its metal–insulator phase transition properties

Vanadium dioxide thin films have been fabricated through sputtering vanadium thin films and rapid thermal annealing in oxygen. The microstructure and the metal–insulator transition properties of the vanadium dioxide thin films were investigated by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, and a spectrometer. It is found that the preferred orientation of the vanadium dioxide changes from(1ˉ11) to(011) with increasing thickness of the vanadium thin film after rapid thermal annealing. The vanadium dioxide thin films exhibit an obvious metal–insulator transition with increasing temperature, and the phase transition temperature decreases as the film thickness increases. The transition shows hysteretic behaviors, and the hysteresis width decreases as the film thickness increases due to the higher concentration carriers resulted from the uncompleted lattice. The fabrication of vanadium dioxide thin films with higher concentration carriers will facilitate the nature study of the metal–insulator transition.     

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     

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.     

硅基二氧化钒相变薄膜电学特性研究

本文以原子层沉积超薄氧化铝(Al₂ O₃)为过渡层, 采用射频反应磁控溅射法在硅半导体基片上制备了颗粒致密并具有(011)择优取向的二氧化钒(VO₂)薄膜. 该薄膜具有显著的绝缘体–金属相变特性, 相变电阻变化超过3 个数量级, 热滞回线宽度约为6℃. 基于VO₂薄膜构建了平面二端器件并测试了不同温度下I-V曲线, 观测到超过2个数量级的电流跃迁幅度, 显示了优越的电致相变特性. 室温下电致相变阈值电压为8.6 V, 电致相变弛豫电压宽度约0.1 V. 随着温度升高到60℃, 其电致相变所需要的阈值电压减小到2.7 V. 本实验制备的VO₂薄膜在光电存储、开关、太赫兹调控器件中具有广泛的应用价值.     

电场诱导二氧化钒绝缘-金属相变的研究进展

二氧化钒(VO_2)是电子强关联体系的典型代表,其晶体结构在特定阈值的温度、电场、光照和压力等物理场作用下会发生由单斜金红石结构向四方金红石结构的可逆转变,从而引发绝缘-金属相变.其中,电场诱导VO_2绝缘-金属相变后的电导率可提高2-5个数量级,在可重构缝隙天线、太赫兹辐射以及智能电磁防护材料等领域具有广阔的应用前景,成为近年来人们的研究热点.首先,简要概述了VO_2发生绝缘-金属相变时晶体结构和能带结构的变化,进而从电场诱导VO_2绝缘-金属相变的研究方法、响应时间、临界阈值场强调控以及相变机理几个方面系统总结和评述了近年来国内外学者在该领域的重要发现和研究进展.最后,指出了当前VO_2绝缘-金属相变研究存在的问题,并展望了未来的发展方向.     

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.     

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.     

In situ electronic structural study of VO_2 thin film across the metal–insulator transition

The in situ valence band photoemission spectrum （PES） and X-ray absorption spectrum （XAS） at V LⅡ-LⅢ edges of the VO2 thin film, which is prepared by pulsed laser deposition, are measured across the metal–insulator transition （MIT） temperature （TMIT=67 ℃）. The spectra show evidence for changes in the electronic structure depending on temperature. Across the TMIT, pure V 3d characteristic d‖ and O 2p-V 3d hybridization characteristic πpd, σpd bands vary in binding energy position and density of state distributions. The XAS reveals a temperature-dependent reversible energy shift at the V LⅢ-edge. The PES and XAS results imply a synergetic energy position shift of occupied valence bands and unoccupied conduction band states across the phase transition. A joint inspection of the PES and XAS results shows that the MIT is not a one-step process, instead it is a process in which a semiconductor phase appears as an intermediate state. The final metallic phase from insulating state is reached through insulator–semiconductor, semiconductor–metal processes, and vice versa. The conventional MIT at around the TMIT=67 ℃ is actually a semiconductor–insulator transformation point.     

Two-dimensional mesoscopic Wigner crystallization and related issues

The quantum-classical crossover from the Fermi liquid towards the Wigner solid is numerically revisited using small square lattice models where electrons interact via a Coulomb U/r potential. From exact numerical diagonalizations, one finds that the mesoscopic electron solid is formed in two stages, giving rise to an intriguing solid-liquid regime at intermediate couplings. The roles of a random substrate and of the spin degrees of freedom are investigated. Possible relations with the 2d metal-insulator transition observed in various field effect devices are suggested.     

Nd2-xSrxNiO4多晶输运性质的研究

研究了Nd2-xSrxNiO4多晶的输运性质.0< x0.5样品低温下的电阻率很好地满足变程跳跃公式,0.8x1.1样品在室温以上呈现金属性行为,随着温度降低出现金属-绝缘体转变,x=1.4样品的金属性从室温开始一直保持到14K. 用变程跳跃机制很好地解释了x=0.33样品的热电势-温度关系曲线.     

Room-temperature epitaxial growth of V2O3 films

Herein we report the room-temperature epitaxial growth of V2O3 films by laser molecule beam epitaxy. X-ray diffraction profiles show the room-temperature epitaxial V2O3 films orient in the [110] direction on α-Al2O3(0001) substrates. Atomic force microscopy measurements reveal that the ultra-smooth surfaces with root-mean-square surface roughness of 0.11 nm and 0.28 nm for 10-nm-thick and 35-nm-thick V+2O3 film, respectively. X-ray photoelectron spectroscopy results indicate the V3 oxidation state in the films. Typical metal-insulator transition is observed in films at about 135 K. The resistivities at 300 K are approximately 0.8 mΩ cm and 0.5 mΩ cm for 10-nm-thick and 35-nm-thick V2O3 film, respectively.     

α-SiN:H薄膜的光学声子与VO2基Mott相变场效应晶体管的红外吸收特性

从器件构成材料中α-SiN:H,VO₂,Al薄膜介电常数弥散特性的Lorentz多谐振模型出发,研究了器件在金属表面等离子体与VO₂,特别是α-SiN:H薄膜光学声子共同作用下的红外吸收特性;得到了在不同的光谱范围器件的红外吸收特性随着α-SiN: H钝化层几何厚度的变化关系,与中心工作波长10μm对应的且经过位相修正以后钝化层的几何厚度为λ/4n时的红外吸收光谱、以及VO₂的相变对吸收光谱的影响.关键词：红外吸收特性Mott相变场效应晶体管二氧化钒     

A位Eu掺杂对La0.7Ca0.3MnO3电输运的影响

采用传统的固相反应法制备出了高质量的La_(0.7)Ca_(0.3)MnO_3(其中x=0.00,0.05,0.10,0.15,0.20)系列样品,并对其进行了XRD,电阻-温度测量.实验结果表明,随着Eu掺杂量的增加,样品的金属-绝缘体转变温度朝低温附近移动,峰值电阻增加.通过对A位平均离子半径和尺寸无序度的计算,我们发现,由Eu掺杂导致A位平均离子半径〈rA〉减小,尺寸无序度σ2增大,使晶格畸变加剧,从而削弱了eg巡游电子在Mn3 和Mn4 之间的跃迁,同时促进了自旋极化子的形成.我们还对样品电阻-温度曲线的高温部分进行了拟合,对于x=0.00的样品,曲线可以用非绝热近似下的小极化子模型拟合;当掺杂量为x=0.05,0.10,样品的导电机理符合变程跳跃模型;进一步加大掺杂量,当x=0.15,0.20时,样品的电输运行为可以用晶格极化子与自旋极化子共存来解释.     

后钙钛矿CaRhO3的电子结构和磁学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的投影平面波方法,对后钙钛矿结构(Ppv)的CaRhO₃的电子结构和磁学性质进行了研究.广义梯度(GGA)近似下的计算表明,Ppv-CaRhO₃的基态为铁磁性半金属,Rh⁴⁺离子的磁矩大小为0.57μ_B,具有低自旋态构型;而考虑在位库仑作用修正的GGA+U计算,得到了与实验结果相符的反铁磁绝缘体基态,表明后钙钛矿结构中4d电子之间的关联效应对体关键词：电子结构磁学性质金属绝缘体转变     

La2-xSrxCuO4体系正常态的低温反常输运与载流子的局域化

对La2-xSrxCuO4系列(x=0.06～0.20)样品的电阻率和霍尔系数等输运特性进行了系统研究.电阻率随温度变化的实验结果表明,对低掺杂样品,在正常态区域(T＞Tc),随Sr掺杂量的增加,各样品在低温区超导转变温度附近均发生了金属-绝缘体转变,且转变温度TMl随掺杂量的增加逐渐降低;对于最佳掺杂样品,其金属-绝缘体转变行为变得非常不明显,到x=0.18时完全消失.对正常态样品的霍尔系数而言,随温度的降低逐渐增大,且随Sr掺杂量的增加显示减小.表明载流子浓度随掺杂量的增加而增加.在低掺杂时,接近Tc的温区内霍尔系数RH迅速增大,随着掺杂量的增加Tc附近霍尔系数的增大变缓.霍尔系数在Tc附近的增大,表明低温区载流子浓度减少.电阻率和霍尔系数在低温区电输运的这种反常行为可从载流子的局域化角度给予初步解释.     

Bosonization and quantum hydrodynamics

It is shown that it is possible to bosonize fermions in any number of dimensions using the hydrodynamic variables, namely the velocity potential and density. The slow part of the Fermi field is defined irrespective of dimensionality and the commutators of this field with currents and densities are exponentiated using the velocity potential as conjugate to the density. An action in terms of these canonical bosonic variables is proposed that reproduces the correct current and density correlations. This formalism in one dimension is shown to be equivalent to the Tomonaga-Luttinger approach as it leads to the same propagator and exponents. We compute the one-particle properties of a spinless homogeneous Fermi system in two spatial dimensions with long-range gauge interactions and highlight the metal-insulator transition in the system. A general formula for the generating function of density correlations is derived that is valid beyond the random phase approximation. Finally, we write down a formula for the annihilation operator in momentum space directly in terms of number conserving products of Fermi fields.