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电触发二氧化钒纳米线发生金属-绝缘体转变的机理

王泽霖 张振华 赵喆 邵瑞文 隋曼龄

电触发二氧化钒纳米线发生金属-绝缘体转变的机理

王泽霖, 张振华, 赵喆, 邵瑞文, 隋曼龄
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  • 二氧化钒(VO2)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VO2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VO2相变相比,电触发VO2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VO2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VO2的过渡相态.发现VO2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VO2纳米线两端施加非接触式电场,观察到VO2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VO2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.
      通信作者: 隋曼龄, mlsui@bjut.edu.cn
    • 基金项目: 国家重点研发计划(批准号:2016YFB0700700)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(批准号:51621003)和北京市重点项目(KZ201310005002)资助的课题.
    [1]

    Zhang Z H, Guo H, Ding W Q, Zhang B, Lu Y, Ke X X, Liu W W, Chen F R, Sui M L 2017 Nano Lett. 17 851

    [2]

    Joyeeta N, Haglund Jr R F 2008 J. Phys. Condens. Matter 20 264016

    [3]

    Lopez R, Feldman L C, Haglund Jr R F 2004 Phys. Rev. Lett. 93 177403

    [4]

    Luo M H, Xu M J, Huang Q W, Li P, He Y B 2016 Acta Phys. Sin. 65 047201 (in Chinese)[罗明海, 徐马记, 黄其伟, 李派, 何云斌 2016 物理学报 65 047201]

    [5]

    Zylbersztejn A, Mott N F 1975 Phys. Rev. B 11 4383

    [6]

    Tan X G, Yao T, Long R, Sun Z H, Feng Y J, Cheng H, Yuan X, Zhang W Q, Liu Q H, Wu C Z, Xie Y 2012 Sci. Rep. 2 466

    [7]

    Morrison V R, Chatelain R P, Tiwari K L, Hendaoui A, Bruhcs A, Chaker M, Siwick B J 2014 Science 346 445

    [8]

    Laverock J, Kittiwatanakul S, Zakharov A, Niu Y, Chen B, Wolf S, Lu J, Smith K 2014 Phys. Rev. Lett. 113 216402

    [9]

    Zhang S, Chou J Y, Lauhon L J 2009 Nano Lett. 9 4527

    [10]

    Kumar S, Strachan J P, Pickett M D, Bratkovsky A, Nishi Y, Williams R S 2014 Adv. Mater. 26 7505

    [11]

    Driscoll T, Quinn J, Massimiliano D V, Dimitri N B, Seo G, Lee Y W, Kim H T, David R S 2012 Phys. Rev. B 86 094203

    [12]

    Nakano M, Okuyama D, Shibuya K, Mizumaki M, Ohsumi H, Yoshida M, Takata M, Kawasaki M, Tokura Y, Arima T, Iwasa Y 2015 Adv. Electron. Mater. 1 1500093

    [13]

    Zimmers A, Aigouy L, Mortier M, Sharoni A, Wang S, West K, Ramirez J, Schuller I K 2013 Phys. Rev. Lett. 110 056601

    [14]

    Qiu D H, Wen Q Y, Yang Q H, Chen Z, Jing Y L, Zhang H W 2013 Acta Phys. Sin. 62 217201 (in Chinese)[邱东鸿, 文岐业, 杨青慧, 陈智, 荆玉兰, 张怀武 2013 物理学报 62 217201]

    [15]

    Wu B, Zimmers A, Aubin H, Ghosh R, Liu Y, Lopez R 2011 Phys. Rev. B 84 241410

    [16]

    Nakano M, Shibuya K, Okuyama D, Hatano T, Ono S, Kawasaki M, Iwasa Y, Tokura Y 2012 Nature 487 459

    [17]

    Jeong J, Aetukuri N, Graf T, Schladt T D, Samant M G, Parkin S S 2013 Science 339 1402

    [18]

    Ji H, Wei J, Natelson D 2012 Nano Lett. 12 2988

    [19]

    Shibuya K, Sawa A 2016 Adv. Electron. Mater. 2 1500131

    [20]

    Jeong J, Aetukuri N B, Passarello D, Conradson S D, Samant M G, Parkin S S 2015 Proc. Natl. Acad. Sci. 112 1013

    [21]

    Ding W Q, Zhang Z H, Guo Z X, Sui M L 2014 J. Chin. Electron Microsc. Soc. 33 406 (in Chinese)[丁文强, 张振华, 郭振玺, 隋曼龄 2014 电子显微学报 33 406]

    [22]

    Perrine C, Jrme R, Valrie B, Murielle S, Olivier P, Vivian N, Luca O, Jean S, Hazemann J L, Bottero J Y 2007 J. Phys. Chem. B 111 5101

    [23]

    Zhang S X, Kim I S, Lauhon L J 2011 Nano Lett. 11 1443

    [24]

    Gao Y, Cao C, Dai L, Luo H, Kanehira M, Ding Y, Wang Z L 2012 Energy Environ. Sci. 5 8708

    [25]

    Gao P, Kang Z C, Fu W Y, Wang W L, Bai W D, Wang E G 2010 J. Am. Chem. Soc. 132 4197

    [26]

    Wan X G, Turner A M, Vishwanath A, Savrasov S Y 2010 Phys. Rev. B 82 205101

    [27]

    Takeaki Y, Tomonori N, Akira T 2015 Nat. Commun. 6 10104

  • [1]

    Zhang Z H, Guo H, Ding W Q, Zhang B, Lu Y, Ke X X, Liu W W, Chen F R, Sui M L 2017 Nano Lett. 17 851

    [2]

    Joyeeta N, Haglund Jr R F 2008 J. Phys. Condens. Matter 20 264016

    [3]

    Lopez R, Feldman L C, Haglund Jr R F 2004 Phys. Rev. Lett. 93 177403

    [4]

    Luo M H, Xu M J, Huang Q W, Li P, He Y B 2016 Acta Phys. Sin. 65 047201 (in Chinese)[罗明海, 徐马记, 黄其伟, 李派, 何云斌 2016 物理学报 65 047201]

    [5]

    Zylbersztejn A, Mott N F 1975 Phys. Rev. B 11 4383

    [6]

    Tan X G, Yao T, Long R, Sun Z H, Feng Y J, Cheng H, Yuan X, Zhang W Q, Liu Q H, Wu C Z, Xie Y 2012 Sci. Rep. 2 466

    [7]

    Morrison V R, Chatelain R P, Tiwari K L, Hendaoui A, Bruhcs A, Chaker M, Siwick B J 2014 Science 346 445

    [8]

    Laverock J, Kittiwatanakul S, Zakharov A, Niu Y, Chen B, Wolf S, Lu J, Smith K 2014 Phys. Rev. Lett. 113 216402

    [9]

    Zhang S, Chou J Y, Lauhon L J 2009 Nano Lett. 9 4527

    [10]

    Kumar S, Strachan J P, Pickett M D, Bratkovsky A, Nishi Y, Williams R S 2014 Adv. Mater. 26 7505

    [11]

    Driscoll T, Quinn J, Massimiliano D V, Dimitri N B, Seo G, Lee Y W, Kim H T, David R S 2012 Phys. Rev. B 86 094203

    [12]

    Nakano M, Okuyama D, Shibuya K, Mizumaki M, Ohsumi H, Yoshida M, Takata M, Kawasaki M, Tokura Y, Arima T, Iwasa Y 2015 Adv. Electron. Mater. 1 1500093

    [13]

    Zimmers A, Aigouy L, Mortier M, Sharoni A, Wang S, West K, Ramirez J, Schuller I K 2013 Phys. Rev. Lett. 110 056601

    [14]

    Qiu D H, Wen Q Y, Yang Q H, Chen Z, Jing Y L, Zhang H W 2013 Acta Phys. Sin. 62 217201 (in Chinese)[邱东鸿, 文岐业, 杨青慧, 陈智, 荆玉兰, 张怀武 2013 物理学报 62 217201]

    [15]

    Wu B, Zimmers A, Aubin H, Ghosh R, Liu Y, Lopez R 2011 Phys. Rev. B 84 241410

    [16]

    Nakano M, Shibuya K, Okuyama D, Hatano T, Ono S, Kawasaki M, Iwasa Y, Tokura Y 2012 Nature 487 459

    [17]

    Jeong J, Aetukuri N, Graf T, Schladt T D, Samant M G, Parkin S S 2013 Science 339 1402

    [18]

    Ji H, Wei J, Natelson D 2012 Nano Lett. 12 2988

    [19]

    Shibuya K, Sawa A 2016 Adv. Electron. Mater. 2 1500131

    [20]

    Jeong J, Aetukuri N B, Passarello D, Conradson S D, Samant M G, Parkin S S 2015 Proc. Natl. Acad. Sci. 112 1013

    [21]

    Ding W Q, Zhang Z H, Guo Z X, Sui M L 2014 J. Chin. Electron Microsc. Soc. 33 406 (in Chinese)[丁文强, 张振华, 郭振玺, 隋曼龄 2014 电子显微学报 33 406]

    [22]

    Perrine C, Jrme R, Valrie B, Murielle S, Olivier P, Vivian N, Luca O, Jean S, Hazemann J L, Bottero J Y 2007 J. Phys. Chem. B 111 5101

    [23]

    Zhang S X, Kim I S, Lauhon L J 2011 Nano Lett. 11 1443

    [24]

    Gao Y, Cao C, Dai L, Luo H, Kanehira M, Ding Y, Wang Z L 2012 Energy Environ. Sci. 5 8708

    [25]

    Gao P, Kang Z C, Fu W Y, Wang W L, Bai W D, Wang E G 2010 J. Am. Chem. Soc. 132 4197

    [26]

    Wan X G, Turner A M, Vishwanath A, Savrasov S Y 2010 Phys. Rev. B 82 205101

    [27]

    Takeaki Y, Tomonori N, Akira T 2015 Nat. Commun. 6 10104

  • [1] 罗明海, 徐马记, 黄其伟, 李派, 何云斌. VO2金属-绝缘体相变机理的研究进展. 物理学报, 2016, 65(4): 047201. doi: 10.7498/aps.65.047201
    [2] 孙肖宁, 曲兆明, 王庆国, 袁扬, 刘尚合. 电场诱导二氧化钒绝缘-金属相变的研究进展. 物理学报, 2019, 68(10): 107201. doi: 10.7498/aps.68.20190136
    [3] 陈长虹, 黄德修, 朱 鹏. 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. 物理学报, 2007, 56(9): 5221-5226. doi: 10.7498/aps.56.5221
    [4] 熊瑛, 文岐业, 田伟, 毛淇, 陈智, 杨青慧, 荆玉兰. 硅基二氧化钒相变薄膜电学特性研究. 物理学报, 2015, 64(1): 017102. doi: 10.7498/aps.64.017102
    [5] 胡明列, 柴路, 王清月, 王昌雷, 田震, 邢岐荣, 谷建强, 刘丰. 硅基VO2纳米薄膜光致绝缘体—金属相变的THz时域频谱研究. 物理学报, 2010, 59(11): 7857-7862. doi: 10.7498/aps.59.7857
    [6] 王利霞, 李建平, 何秀丽, 高晓光. 二氧化钒薄膜的低温制备及其性能研究. 物理学报, 2006, 55(6): 2846-2851. doi: 10.7498/aps.55.2846
    [7] 顾艳妮, 吴小山. 氧空穴导致二氧化钒低温相带隙变窄. 物理学报, 2017, 66(16): 163102. doi: 10.7498/aps.66.163102
    [8] 焦媛媛, 孙建平, Prashant Shahi, 刘哲宏, 王铂森, 龙有文, 程金光. Pb掺杂对Cd2Ru2O7反常金属态的调控. 物理学报, 2018, 67(12): 127402. doi: 10.7498/aps.67.20180343
    [9] 唐永刚, 严国清, 郭焕银, 毛 强, 彭振生. La0.67Sr0.08Na0.25MnO3的奇特输运性质及CMR效应. 物理学报, 2007, 56(3): 1707-1712. doi: 10.7498/aps.56.1707
    [10] 熊雨薇, 尹奎波, 文一峰, 辛磊, 姚利兵, 朱重阳, 孙立涛. 纳米氧化锡负极材料锂化反应机理的原位透射电镜研究. 物理学报, 2019, 68(15): 158201. doi: 10.7498/aps.68.20190431
    [11] 陈长虹, 易新建, 熊笔锋. 基于VO2薄膜非致冷红外探测器光电响应研究. 物理学报, 2001, 50(3): 450-452. doi: 10.7498/aps.50.450
    [12] 陈旭生, 李九生. 缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器. 物理学报, 2020, 69(2): 027801. doi: 10.7498/aps.69.20191511
    [13] 邱东鸿, 文岐业, 杨青慧, 陈智, 荆玉兰, 张怀武. 金属Pt薄膜上二氧化钒的制备及其电致相变性能研究. 物理学报, 2013, 62(21): 217201. doi: 10.7498/aps.62.217201
    [14] 徐 进, 杨德仁, 储 佳, 马向阳, 阙端麟. 微氮直拉硅单晶中氧化诱生层错透射电镜研究. 物理学报, 2004, 53(2): 550-554. doi: 10.7498/aps.53.550
    [15] 陈锋, 应和平, 徐铁锋, 李文铸. 二维半充满Hubbard模型有限温度下绝缘体──金属相变的研究. 物理学报, 1994, 43(10): 1672-1676. doi: 10.7498/aps.43.1672
    [16] 崔永锋, 袁志好. 表面修饰的二氧化钛纳米材料的结构相变和光吸收性质. 物理学报, 2006, 55(10): 5172-5177. doi: 10.7498/aps.55.5172
    [17] 徐 进, 李福龙, 杨德仁. 直拉硅单晶中原生氧沉淀的透射电镜研究. 物理学报, 2007, 56(7): 4113-4116. doi: 10.7498/aps.56.4113
    [18] 林志宇, 张进成, 许晟瑞, 吕玲, 刘子扬, 马俊彩, 薛晓咏, 薛军帅, 郝跃. 斜切蓝宝石衬底MOCVD生长GaN薄膜的透射电镜研究. 物理学报, 2012, 61(18): 186103. doi: 10.7498/aps.61.186103
    [19] 黄立静, 任乃飞, 李保家, 周明. 激光辐照对热退火金属/掺氟二氧化锡透明导电薄膜光电性能的影响. 物理学报, 2015, 64(3): 034211. doi: 10.7498/aps.64.034211
    [20] 邱梅清, 方明虎. Eu2-xPbxRu2O7中的金属-绝缘体相变和自旋玻璃态行为. 物理学报, 2006, 55(9): 4912-4917. doi: 10.7498/aps.55.4912
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-26
  • 修回日期:  2018-05-20
  • 刊出日期:  2018-09-05

电触发二氧化钒纳米线发生金属-绝缘体转变的机理

  • 1. 北京工业大学, 固体微结构与性能研究所, 北京 100124;
  • 2. 杭州电子科技大学, 浙江(杭电)创新材料研究院, 杭州 310018;
  • 3. 北京大学, 电子显微镜实验室, 北京 100871
  • 通信作者: 隋曼龄, mlsui@bjut.edu.cn
    基金项目: 

    国家重点研发计划(批准号:2016YFB0700700)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(批准号:51621003)和北京市重点项目(KZ201310005002)资助的课题.

摘要: 二氧化钒(VO2)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VO2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VO2相变相比,电触发VO2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VO2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VO2的过渡相态.发现VO2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VO2纳米线两端施加非接触式电场,观察到VO2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VO2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.

English Abstract

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