VO_2金属-绝缘体相变机理的研究进展

VO_2是一种热致相变金属氧化物.在341 K附近,VO_2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VO_2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,VO_2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VO_2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VO_2从低温时的单斜相VO_2(M)转变为高温稳定的金红石相VO_2(R),在一定条件下此过程也可能伴随着亚稳态单斜相VO_2(B)与四方相VO_2(A)的产生;从能带结构来看,VO_2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VO_2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三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,VO_2是否是Mott绝缘体以及结构相变与金属-绝缘体相变是否精确同时发生.最后,展望了VO_2材料研究的发展方向.

不对称Hubbard模型与Mott金属-绝缘体相变

从标准Hubbard模型出发,对半充满Hubbard系统,采用Hubbard和Falicov Kimball近似处理,在讨论自旋为σ的电子运动时,忽略自旋为-σ的电子在格点间的跳跃,得到不对称哈密顿量,并运用平均场近似求得相应准粒子谱。在绝对零度和有限温度对结果作了分析,讨论了Mott金属-绝缘体相变的转变温度。

首次实现纯电子驱动的莫特金属-绝缘体相变

据美国Science，2007，318：615报道，近日．中国科学院物理研究所凝聚态理论与材料计算实验室方忠小组、表面物理国家重点实验室的郭建东与美国科学家合作，首次实现了由纯电子关联驱动的莫特金属-绝缘体相变（Mott-MIT）。

超薄VO2外延薄膜的制备及其金属-绝缘体相变的原位研究

采用电子束蒸发法(EBE)在单晶TiO_2(110)衬底上沉积VO_2超薄薄膜.实验以高纯金属V棒为蒸发源,高纯氧气作为反应气体,固定生长温度330℃,氧压2×10^(-6)mbar,然后通过改变不同的V蒸发速率和生长时间制备出不同特性的VO_2薄膜.利用原位的扫描隧道显微镜、低能电子衍射(LEED)和X线光电子能谱系统地分析所得样品的表面形貌、结构特征以及相转变过程中的能带结构变化,并对比找出EBE制备法的最佳生长条件.结果表明,当蒸发束流固定在20nA时,LEED点阵较亮,薄膜显示出接近于原子级平滑的表面;随着生长时间的增加,表面变粗糙,点阵变暗,V的价态逐渐降低,从+5价过渡到+3价;在薄膜厚度接近10个原子层时,薄膜存在金属-绝缘体相变行为.

高质量外延VO2薄膜制备及其金属-绝缘体相变特性研究

采用脉冲激光沉积法,在c面蓝宝石衬底上,以VO_2陶瓷作为烧蚀靶材,高纯氧气作为反应气体,固定衬底温度600℃,通过改变生长氧压制备VO_2薄膜.利用X线衍射仪、原子力显微镜、四探针测试仪测试,系统研究生长氧压对VO_2薄膜晶体结构、表面形貌、金属-绝缘体相变(MIT)特性的影响.实验结果表明:生长氧压1.2 Pa时,薄膜(020)晶面摇摆曲线半高宽低至0.061°,结晶质量高;薄膜表面平整光滑;薄膜相变温度接近68℃,金属-绝缘体转变特性显著,电阻率有4个数量级变化.

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.

铜基稀土过渡金属钙钛矿La_(1-x)Nd_(x)CuO_(3)(0≤x≤1)的高压合成

在高温高压条件下,利用自主设计加工的Walker型高压组件合成新型铜基稀土过渡金属钙钛矿La_(1-x)Nd_(x)CuO_(3)(0≤x≤1)。结构精修结果表明:La_(1-x)Nd_(x)CuO_(3)(0≤x≤0.4)具有菱方结构,空间群为;当0.5≤x≤0.7时,该体系表现出菱方结构与Pnma正交结构共存的混合相;进一步增加Nd的掺杂比例,当0.8≤x≤1时样品具有单一的Pnma正交结构。获得了La_(1-x)Nd_(x)CuO_(3)(0≤x≤1)的完整结构相图,为深入研究稀土-3d过渡金属氧化物的磁性、金属-绝缘体相变等物性演化规律提供了新的材料选项。

一维C_(36)聚合物的C_(36)分子间的电-声相互作用

在用半经验自洽场晶体轨道方法计算能带结构的基础上，并在平均场近似和形变势理论框架下，研究了四种一维线性 C36聚合物模型的 C36分子间电-声耦合常数及其对超导相变和金属-绝缘体相变的影响 .计算结果表明，一维线性 C36聚合物的 C36分子间电-声耦合常数极小，对超导相变和金属-绝缘体相变的影响可以完全忽略 .

光格子中偶极玻色子的能谱和量子相变条件

通过格林函数方法研究了囚禁在光格子中偶极玻色子的能谱,从能带结构的激发谱可以看出偶极玻色子的超流莫特绝缘体相变条件取决于原子之间的排斥相互作用、偶极玻色子相互作用和耦合隧穿常数之间的关系,同时也运用波戈留夫变换方法得到了超流相.

氧气氛后退火对La_(0.67)Ca_(0.33)MnO_3-Ag薄膜性能的影响

用脉冲激光溅射 (PLD)法在LaAlO3( 1 0 0 )单晶衬底上制备了掺 4 0wt%Ag的超巨磁电阻材料La0 67Ca0 33MnO3薄膜。在氧气氛中经高温处理后薄膜显示了近室温的金属 -绝缘体相变点 (TMI≈ 30 0K) ,与通常提高TMI的结果相比较 ,此工艺较好地保持了材料相变点区间的陡度 ,且电阻温度系数 (TCR)在此区内仍达到 8%。这为制造近室温磁敏感元件、自旋电子学器件、辐射热探测器等提供了重要材料。

量子相变和量子临界现象

本文综述凝聚态物理学中的量子相变和量子临界现象,首先考察了相变中存在量子效应的可能性,通过横磁场Ising模型介绍了量子相变的基本特征;接下来对照热临界现象,引入了量子标度和量子重正化的基本概念和操作方式;然后利用量子临界现象的方案,分析了密度驱动、无序驱动和关联驱动的金属-绝缘体相变;继续利用量子临界性的概念探讨如重电子化合物、铜氧化物和巡游铁磁体这类复杂的相互作用多粒子系统;最后选择量子点、碳纳米管和单层石墨为例,介绍了量子临界性在低维和纳米系统研究中的作用。

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.

Eu_(2-x)Pb_xRu_2O_7中的金属-绝缘体相变和自旋玻璃态行为

通过对Eu_(2-x)Pb_xRu_2O_7(x=0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0和1.8)系列样品的结构、电阻和磁化率的观测,结果发现,随着Pb替代浓度x值的增加,样品的电阻率逐渐减小,系统在x=0.8附近发生了金属_绝缘体(M_I)相变;Ru4+的局域磁矩及其自旋玻璃冻结温度TG也随之降低.在该体系中,Pb2+对Eu3+的部分替代使样品中载流子浓度增加,Pb的6p能带与Ru4d电子的T2g能带混合,能带得以拓宽,Ru4d电子的巡游性增强,导致该体系物性的系列变化.

双层石墨烯材料中无序导致超导-绝缘体相变的数值研究

本文利用一种新的数值方法研究了在较大的双层石墨烯样品中杂质的无序效应对超导态特性的影响.采用核多项式方法(Kernel Polynomial Method)来自洽求解双层石墨烯系统的Bogoliubov-de-Gennes(BdG)方程,从而得到了由无序效应所引起的超导序参量的空间涨落精确解.进一步,计算了系统处于超导态时的态密度、光电导和广义逆参与率(inverse participation ratio)等物理量,并发现随着无序强度的不断增大态密度中的能隙被完全抑制,同时光电导的Drude权重也迅速减小并最终降为零,这表明双层石墨烯中的低能电子态发生了安德森局域化,系统因而发生了由无序效应诱导的超导-绝缘体相变.

SnO_(2)缓冲层对VO_(2)薄膜微观结构与相变性能的影响

利用电子束蒸发法在Si衬底上制备了不同厚度的SnO_(2)缓冲层,并使用磁控溅射法制备出上层氧化钒薄膜,研究了SnO_(2)缓冲层厚度对于氧化钒薄膜微观结构、相组成以及相变性能的影响。结果表明,引入具有四方金红石结构的SnO_(2)缓冲层后,上层氧化钒薄膜的结晶性变好,随着SnO_(2)缓冲层厚度的增加,沉积的氧化钒薄膜中V^(4+)含量逐渐提高,氧化钒薄膜的平均晶粒尺寸增大,成膜质量变好;相变锐度有所降低,热滞回线宽度减小。这些结果表示SnO_(2)缓冲层的引入有利于在硅衬底上生长高质量且相变性能优越的VO_(2)薄膜。

沉积氧压对二氧化钒薄膜结构、光电性能及其MIT相变特性的影响研究

本工作中我们采用脉冲激光沉积法,以金属钒靶作为烧蚀靶材、高纯氧气作为反应气体,通过改变薄膜生长时的氧压,在TiO2 (110)衬底上制备VO2薄膜。利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱分析仪、紫外-可见-近红外光谱测试仪、四探针测试仪系统测试并研究了薄膜生长氧压对VO2薄膜的结构、成分、光学性能及金属-绝缘体相变特性的影响。实验结果表明:不同氧压下制备的VO2薄膜(011)晶面X射线衍射摇摆曲线半高宽都很小(在0.12?~0.27?范围),表明薄膜的面外取向度很高;当氧压为6.5 Pa时,制备的VO2薄膜摇摆曲线半高宽最小(0.116?),相变前后薄膜对太阳能调制最大、其电阻开关比达到4个数量级,薄膜相变温度接近63℃,金属-绝缘体转变特性显著。

太赫兹瞬态光谱研究La_(0.7)Ca_(0.3)MnO_(3)薄膜的温度相关相变

利用太赫兹瞬态光谱研究了La_(0.7)Ca_(0.3)MnO_(3)薄膜的热力学性质。La_(0.7)Ca_(0.3)MnO_(3)薄膜的金属-绝缘体相变温度在260 K左右,与铁磁-顺磁相变温度几乎相同。结果表明,La_(0.7)Ca_(0.3)MnO_(3)薄膜的电导率与薄膜中磁矩取向密切相关。研究发现在40∼200 K的低温范围内,La_(0.7)Ca_(0.3)MnO_(3)薄膜的电导率可以用Drude模型拟合,在210∼290 K的高温范围内可以用Drude-Lorentz模型拟合。

失谐对耗散耦合腔阵列体系超流-绝缘相变的影响

利用平均场理论和微扰论解析求解了失谐存在且环境作用下Jaynes-Cummings-Hubbard模型的哈密顿量,得到了体系序参量的解析表达式,并讨论了失谐对体系超流一绝缘相变的影响,研究结果表明:调节失谐可以改变腔间的有效排斥势和系统的临界隧穿率,实现系统在超流态和绝缘态之间转变,结合耗散耦合腔阵列的输运性质探讨了失谐对序参量取值的影响,结果显示:沿失谐负支随着失谐的增大,序参量会经历先增后减的变化。

基于VO_2相变实现太赫兹波段宽带抗反射

提出利用VO_2薄膜匹配空气-介质界面,基于温度诱导VO_2的绝缘体-金属相变,实现太赫兹波段的宽带抗反射,并对温度依赖的宽带抗反射进行系统讨论.这一研究结果具有普适性,既适用于光学器件界面间的抗反射研究,也可用于微波波段的抗反射设计.

水热合成二氧化钒粉体的研究进展

二氧化钒(VO_(2))是一种被广泛应用的无机非金属材料,在临界温度68℃时具有从绝缘体单斜相到金属四方相的可逆相变,相变后其本身的电阻率、红外透过率等物理性质都会发生改变。可逆的相变特性以及相对简单的响应方式使得VO_(2)成为制备新型智能器件的候选材料。然而,有关二氧化钒合成机理以及水热法制备二氧化钒的综述较少。因此,本文通过总结近几年水热法制备二氧化钒的相关工作,分别对一步法和两步法制备VO_(2)(M)进行介绍与总结,并对水热法制备VO_(2)(M)粉体的发展进行了展望。