中國儲能網(wǎng)訊：近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室鄒崇文副研究員和樊樂樂博士等利用同步輻射X射線衍射和倒空間成像技術(shù)，在研究二氧化釩超薄膜的外延生長和界面應(yīng)力調(diào)控相變方面取得新進(jìn)展，該研究成果發(fā)表于近期的Nano Letters上。
二氧化釩材料表現(xiàn)出獨(dú)特的可逆的金屬絕緣體相變，這種相變將導(dǎo)致VO2的電、磁和光學(xué)性質(zhì)會發(fā)生突變，比如在相變過程中其電阻率和紅外線透射率的突變等，因而在相變存儲和“智能窗”的應(yīng)用上具有極大的前景。但是這種相變臨界溫度為68度，作為實(shí)際應(yīng)用仍然相對過高。因此調(diào)控二氧化釩相變過程，從而降低相變溫度一直是研究的熱點(diǎn)問題。目前常用的方法就是利用鎢、鈮等原子摻雜來降低其相變溫度到室溫附近。雖然通過上述摻雜調(diào)控能夠使得相變溫度大大降低，可是其原先所具有的突變的光電功能特性，比如巨大的電阻率和紅外透射率的變化會大大削弱，從而喪失了其作為智能窗材料的實(shí)際用途。利用薄膜外延沉積的手段在二氧化釩薄膜內(nèi)產(chǎn)生界面應(yīng)力，從而降低二氧化釩薄膜的相變溫度被證明為一個可行的手段。但是界面應(yīng)力的引入對二氧化釩薄膜的晶格結(jié)構(gòu)的影響以及相應(yīng)電子態(tài)的調(diào)控機(jī)理仍不清楚。
針對上述問題，研究人員利用氧射頻分子束外延方法在二氧化鈦單晶襯底上成功制備了從幾個原胞到幾十納米厚度的外延二氧化釩薄膜并測試了其金屬絕緣體相變特性。同時采用同步輻射衍射倒空間成像技術(shù)研究了這種超薄膜的界面應(yīng)力變化的動力學(xué)過程，結(jié)合變溫電學(xué)測試和第一性原理理論計(jì)算結(jié)果，深入揭示了這種內(nèi)在應(yīng)力對其相變過程的調(diào)控機(jī)理。結(jié)果表明界面應(yīng)力的作用使得外延二氧化釩超薄膜的晶格發(fā)生膨脹，導(dǎo)致其電子態(tài)密度，特別是d//軌道的電子占據(jù)狀態(tài)出現(xiàn)顯著的變化。這種電子態(tài)密度和d軌道占據(jù)行為的變化直接調(diào)制了這種外延超薄膜的相變行為，使得其相變溫度大大降低。
審稿人認(rèn)為：這項(xiàng)工作利用同步輻射光源優(yōu)勢對二氧化釩的應(yīng)力相變調(diào)控給出了更加深入和清晰的物理圖像，對二氧化釩的相變行為研究具有重要指導(dǎo)意義。
上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目和科技部“973”項(xiàng)目等基金的資助。
中國科大利用同步輻射技術(shù)實(shí)現(xiàn)對二氧化釩薄膜相變的調(diào)控
