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Nat. Mater.：清華于浦團(tuán)隊(duì)在納米尺度電場(chǎng)調(diào)控材料絕緣體—金屬相變研究中取得進(jìn)展
來(lái)源：清華大學(xué) 2022-10-10
導(dǎo)讀：近日，清華大學(xué)物理系于浦教授課題組利用掃描探針顯微鏡技術(shù)，賦予了氫離子調(diào)控以納米尺度的空間精度。該成果近日以“借助掃描探針實(shí)現(xiàn)氫化，調(diào)控金屬-絕緣體相變”（Manipulating the Insulator-Metal Transition through Tip-Induced Hydrogenation）為題發(fā)表在《自然·材料》（Nature Materials）上。
強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物材料具有眾多有趣的物理性質(zhì)，其中絕緣體—金屬相變由于存在跨越數(shù)個(gè)量級(jí)的電導(dǎo)率變化而備受關(guān)注。利用電場(chǎng)調(diào)控該相變對(duì)于實(shí)現(xiàn)阻變器件、類(lèi)腦存儲(chǔ)以及智能玻璃等功能應(yīng)用具有重要價(jià)值。近年來(lái)，氫離子因其電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下遷移快、調(diào)控能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電場(chǎng)誘導(dǎo)的材料物性調(diào)控當(dāng)中。通過(guò)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下材料中氫離子的嵌入和析出，獲得了磁性調(diào)控、超導(dǎo)增強(qiáng)和絕緣體—金屬相變等系列有趣物性。然而，傳統(tǒng)離子調(diào)控策略面臨著難以在納米尺度實(shí)現(xiàn)有效操控和調(diào)控時(shí)間長(zhǎng)等困境，制約了相應(yīng)的功能應(yīng)用探索。近日，清華大學(xué)物理系于浦教授課題組利用掃描探針顯微鏡技術(shù)，賦予了氫離子調(diào)控以納米尺度的空間精度。他們利用具有氫催化活性的鉑鍍層納米探針將氣體氛圍中的氫分子分解為氫離子，并通過(guò)在探針上施加正向電壓將帶正電的氫離子注入到樣品中，最終在VO2薄膜中展現(xiàn)了納米尺度的可控氫化。由于氫離子的嵌入伴隨著顯著的電子摻雜效應(yīng)，氫化調(diào)控使得VO2材料展現(xiàn)出可控的絕緣體—金屬相變特性。進(jìn)一步地，他們發(fā)現(xiàn)在探針上施加反向電壓，可有效地使氫化區(qū)域中的氫離子脫出，使樣品重新恢復(fù)絕緣態(tài)，進(jìn)而完整地實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)作用下的可逆氫化和絕緣體—金屬相變。相比于該課題組前期所實(shí)現(xiàn)的離子液體門(mén)電壓調(diào)控策略，探針偏壓有效地降低了質(zhì)子與氧化物間的表面嵌入勢(shì)壘，將相變速度從宏觀器件的分鐘量級(jí)提高到了毫秒量級(jí)。此外，不同于通過(guò)氧空位調(diào)控和靜電場(chǎng)調(diào)控，電場(chǎng)作用下氫離子的可逆調(diào)控有望將離子調(diào)控?cái)U(kuò)展到眾多的氧化物、二維材料、超導(dǎo)材料等體系，為離子型器件應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供了更大空間。
圖1.探針誘導(dǎo)的納米尺度氫離子調(diào)控示意圖該成果近日以“借助掃描探針實(shí)現(xiàn)氫化，調(diào)控金屬-絕緣體相變”（Manipulating the Insulator-Metal Transition through Tip-Induced Hydrogenation）為題發(fā)表在《自然·材料》（Nature Materials）上。文章通訊作者為物理系教授于浦，第一作者為物理系博士后李玲龍（入選“博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃”，現(xiàn)入職東南大學(xué)物理學(xué)院）。清華大學(xué)材料學(xué)院南策文院士、西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員朱梓華（Zihua Zhu）和杜英歌（Yingge Du）等為研究提供了重要幫助。該工作受到了基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年基金、科技部、北京市自然科學(xué)基金和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等的資助，同時(shí)得到了北京市未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和清華大學(xué)柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的支持。參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/98693.htm
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