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.     

二氧化钒纳米棒的相变行为

研究了VO₂(M)纳米棒的金属绝缘体相变(MIT)行为．在VO₂(M)纳米棒的DSC分析曲线上发现了两个MIT,分别位于低温和高温区．低温MIT总是伴随出现VO₂(B)纳米棒,而独立的高温MIT出现在纯VO₂(M)纳米棒．分析和讨论了这两个MIT的机制．     

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.     

由绝缘体转变为金属（发生在100fs时间内）

美国加州大学圣地亚哥分校的Ａ .Ｃａｖａｌｌｅｎ教授和他在加拿大魁北克大学的合作者们进行了一项新的实验 ,他们让一个 5 0ｆｓ的激光脉冲进入到一个厚度为 2 0 0ｎｍ的二氧化钒 (ＶＯ2 )薄膜样品中 .在激光的作用下 ,样品发生了两个相变过程 :一个是由Ｘ射线记录下来的晶体的结构性相变 ,它使每一个晶胞增大了一点点 ;另一个是由可见光短脉冲记录下来的从绝缘体转变为金属体的电相变 .两个相变都在预料不到的短时间间隔内完成 ,这次实验使研究者们观测到一个固体是如何逐渐地 (但实际上几乎是在瞬间发生的 )从一个状态转变为另一个新的…     

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     

飞秒激光诱导二氧化钒光学特性转变（特邀）

为研究激光诱导对二氧化钒光学性质的具体影响,采用磁控溅射技术制备了二氧化钒薄膜。利用原子力显微镜和X射线衍射仪对样品进行表征,发现其具有良好的平整度及致密均匀的结构,是纯相二氧化钒（M）薄膜,并且在透过率-温度变化曲线中观察到了典型的热滞回线。采用透/反射强度扫描系统研究了二氧化钒薄膜的光学特性,实验结果表明,在飞秒激光诱导下样品经历了非线性吸收过程、相变过程、稳态过程和损伤过程,非线性吸收过程由双光子吸收效应主导而相变过程与激光热效应息息相关。进一步研究发现,随着激光重复频率增加,增强的热效应导致其相变开启阈值和损伤阈值明显下降。     

二氧化钒薄膜的光学特性及应用前景

本文着重介绍二氧化钒（ＶＯ２）薄膜的性质，相变原理，若干制备工艺对ＶＯ２薄膜相变特性的影响并给出ＶＯ２薄膜的应用方向。     

二维无序电子系统的金属—绝缘体转变

二维无序电子系统的金属绝缘体转变二维体系中的金属－绝缘体转变一直是人们十分感兴趣的问题．７０年代初，基于Ｉｏｆｅ和Ｒｅｇｅｌ关于金属中电子平均自由程的下限为原子间距的想法，Ｍｏｔ提出在二维体系中这种转变不仅存在，而且是不连续的，存在一最低金属电导率，...     

纳米二氧化钒薄膜的电学与光学相变特性

采用双离子束溅射氧化钒薄膜附加热处理的方式制备了纳米二氧化钒薄膜。在热驱动方式下,分别利用四探针测试技术和傅里叶变换红外光谱技术对纳米二氧化钒薄膜的电学与光学半导体-金属相变特性进行了测试与分析。实验结果表明,电学相变特性与光学相变特性之间存在明显的偏差,电学相变温度为63 ℃,高于光学相变温度,60 ℃;电学相变持续的温度宽度较光学相变持续温度宽度宽;在红外光波段,随着波长的增加,纳米二氧化钒薄膜的光学相变温度逐渐增大,由半导体相向金属相转变的初始温度逐渐升高,相变持续的温度宽度变窄。在红外光波段,纳米二氧化钒薄膜的光学相变特性可以通过光波波长进行调控,电学相变特性更适合表征纳米VO₂薄膜的半导体-金属相变特性。     

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.     

完全由电子关联驱动的Mott型金属--绝缘体相变研究

Mott金属－绝缘体相变（MIT）是凝聚态物理中的一个非常基本的概念.长期以来,Mott型MIT的概念被广泛应用于凝聚态物理的许多领域,特别是用于描述强关联系统的电子结构特征.然而到目前为止,完全由电子关联驱动的MIT并没有被观察到.因此,是否存在着完全由于电子之间的强关联效应导致的Mott型MIT一直是科学家们感兴趣的重要问题.近日,中国科学院物理研究所方忠研究员组、郭建东研究员组和美国Florida International大学的Jiandi Zhang教授研究组及美国Tennessee大学及橡树岭国家实验室的E. W. Plummer教授研究组、Rong Ying Jin教授研究组合作,通过实验与理论相结合的研究,在Ca1.9Sr0.1RuO4表面首次实现了纯电子驱动的Mott型MIT,发生电子结构相变时并没有相应的结构畸变出现.该研究成果对于人们认识电子-电子关联效应引起的Mott转变具有非常重要的意义.     

完全由电子关联驱动的Mott型金属-绝缘体相变研究

Mott金属-绝缘体相变(MIT)是凝聚态物理中的一个非常基本的概念.长期以来,Mott型MIT的概念被广泛应用于凝聚态物理的许多领域,特别是用于描述强关联系统的电子结构特征.然而到目前为止,完全由电子关联驱动的MIT并没有被观察到.因此,是否存在着完全由于电子之间的强关联效应导致的Mott型MIT一直是科学家们感兴趣的重要问题.近日,中国科学院物理研究所方忠研究员组、郭建东研究员组和美国Florida International大学的Jiandi Zhang教授研究组及美国Tennessee大学及橡树岭国家实验室的E.W.Plummer教授研究组、Rong Ying Jin教授研究组合作,通过实验与理论相结合的研究,在Ca1.9Sr0.1RuO4表面首次实现了纯电子驱动的Mott型MIT,发生电子结构相变时并没有相应的结构畸变出现.该研究成果对于人们认识电子-电子关联效应引起的Mott转变具有非常重要的意义.     

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.     

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.     

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.     

多壁碳纳米管在循环相变过程中结构变化初探

对由离子束辐照多壁碳纳米管（MWCNTs）产生的无定形碳纳米线（ACNWs）进行了高温退火（2400℃）处理，通过透射电子显微镜(TEM)观察发现，ACNWs体部转变成与原来MWCNTs相似 的管状石墨结构，而其封端区域的石墨晶体结构形态却与原来的MWCNTs完全不同，且变化多 端.基于实验结果，对其相变过程机理提出了一个概念性的模型. 关键词： 无定形碳纳米线 高温退火 相变 透射电子显微镜