VO2外延薄膜的相變調控研究.pdf

1、強關聯體系是當前凝聚態(tài)物理中最突出的問題之一。二氧化釩(VO2)是一種典型的強關聯過渡金屬氧化物，在室溫附近(68℃)會發(fā)生可逆金屬-絕緣相變，相變過程中伴隨著晶格結構、電學、光學、磁性的巨大變化。除了熱致相變，VO2在一定的電場、光場、應力、載流子注入、元素摻雜等多種外界條件下同樣能夠觸發(fā)金屬-絕緣轉變，且觸發(fā)條件與VO2本身的形貌、晶面取向、表面結構和吸附等息息相關，這給VO2相變調控的研究提供了多重的實驗路徑，展示出豐富的物理內涵

2、。弄清VO2在相變過程中結構轉變和電子態(tài)變化之間的關系，以及電子-電子關聯在其中所起的作用，具有重要的理論價值。另一方面，接近室溫的臨界相變溫度和優(yōu)良的相變性質，給VO2提供了廣闊的應用前景，諸如智能窗、記憶存儲、場效應晶體管、氣體傳感器等。
　　本論文的主要內容和取得的成果如下:
　　(1)通過改進分子束外延固態(tài)源的電子束蒸發(fā)槍，理論模擬了固態(tài)源和電子發(fā)射燈絲之間的電場分布和電子運動軌跡，優(yōu)化了電子槍的構型使得高能電子聚焦

3、于固態(tài)源的尖端一點，從而獲得了穩(wěn)定可靠、速率可控的原子/分子束流。在此基礎上，利用氧射頻-分子束外延設備在藍寶石襯底上成功的制備了兩英寸大小的高質量VO2薄膜，在TiO2，MgF2襯底上生長了應力大小可控的異質外延高取向VO2薄膜，具備優(yōu)良的電學、光學相變特質。
　　(2)利用離子液體在二氧化釩單晶薄膜表面構筑場效應(FET)結構，通過控制外加偏壓的大小和時間來調控其相變過程。實驗結果表明這種相變過程的調控在宏觀尺寸二氧化釩薄膜樣

4、品中具有薄膜厚度上的依賴特征，調控過程本質上源于在電場作用下，離子液在較強的界面電勢作用下逐漸奪取VO2中的氧原子的過程，晶格中形成的氧空位造成電子摻雜效應，從而觸發(fā)VO2相變。通過對這一過程中VO2電學、光學、結構性質異常變化的原位追蹤與分析，發(fā)現氧空位和與之相聯的金屬態(tài)VO2的形成是一個持續(xù)進行的，從空氣-薄膜界面到襯底-薄膜界面逐漸滲透的過程，且具有幾十納米的最大滲透深度。
　　(3)研究了氫摻雜對VO2相變的影響，通過控制

5、氫在VO2中的含量，可以可逆調控VO2的金屬-絕緣相變。少量氫摻雜會使VO2從絕緣M相轉變?yōu)槭覝亟饘賾B(tài)H-VO2，進一步提高氫摻雜濃度會使金屬態(tài)H-VO2轉變?yōu)槭覝亟^緣態(tài)H-VO2，加熱釋放氫可使兩種H-VO2轉變回初始M相。M-VO2，金屬態(tài)H-VO2，絕緣態(tài)H-VO2是三種不同物相，通過改變VO2中H的濃度，就可使VO2在這三種物相之間互相可逆轉換，同時借助一系列原位表征手段研究了相應的結構、電學、光學的巨大變化。進一步的，利用第一