近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所功能材料與器件研究部研究員朱雪斌課題組在V2O3金屬-絕緣體相變機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果以Unveiling the mechanisms of metal-insulator transitions in V2O3: The role of trigonal distortion為題，發(fā)表在Physical Review B上。

金屬-絕緣體相變是指材料在組分、溫度、壓力等作用下，發(fā)生金屬相與絕緣相之間的轉(zhuǎn)變，通常伴隨著電阻率、磁性、光學(xué)反射率等物理性質(zhì)的顯著變化。這種獨(dú)特物性使得這類(lèi)相變材料在光電開(kāi)關(guān)、信息存儲(chǔ)、傳感器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、智能窗口等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，金屬-絕緣體相變一直是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)中備受關(guān)注的熱點(diǎn)和研究重點(diǎn)。

V2O3是一種典型的具有豐富金屬-絕緣體相變現(xiàn)象的材料：室溫常壓下為順磁金屬（PM）相，Cr摻雜在晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性不變的情況下將PM相轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾沤^緣（PI）相，該P(yáng)M-PI相變也被認(rèn)為是凝聚態(tài)物理中標(biāo)準(zhǔn)的Mott-Hubbard相變；當(dāng)溫度降低到160 K左右時(shí)，V2O3將從PM相轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁絕緣（AFI）相，同時(shí)伴隨著結(jié)構(gòu)相變。V2O3中的金屬-絕緣體相變已得到人們的持續(xù)關(guān)注和廣泛研究，但目前關(guān)于PM-PI相變是源于電子關(guān)聯(lián)/三角畸變或Cr摻雜導(dǎo)致的局域結(jié)構(gòu)畸變/無(wú)序存在爭(zhēng)議，對(duì)PM相及其PM-AFI相變的基本物理問(wèn)題仍沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)。

為了解決上述問(wèn)題，科研人員在V2O3薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中將襯底溫度作為唯一變化的調(diào)控參數(shù)，利用V2O3和Al2O3之間的晶格/熱膨脹系數(shù)失配，在V2O3薄膜中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力和三角畸變的大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。在V2O3薄膜中通過(guò)面內(nèi)拉伸應(yīng)力增強(qiáng)三角畸變將PM相轉(zhuǎn)變?yōu)镻I相，電輸運(yùn)性質(zhì)和拉曼光譜結(jié)果表明V2O3薄膜中應(yīng)力與單晶中Cr摻雜對(duì)PM-PI相變具有相同的作用。這為澄清V2O3中PM-PI相變機(jī)理爭(zhēng)議提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，直接揭示了三角畸變?cè)赑M-PI相變中的重要作用，對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明Cr摻雜導(dǎo)致的局域結(jié)構(gòu)畸變/無(wú)序只是起到了增大PM相和PI相電阻率的作用。通過(guò)拉曼光譜的研究還發(fā)現(xiàn)V2O3中PM相的軌道占據(jù)態(tài)隨三角畸變發(fā)生顯著變化并且直接決定了PM-AFI相變特性，從而改變了之前關(guān)于V2O3的PM相具有相同軌道占據(jù)態(tài)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，揭示了V2O3薄膜中的應(yīng)力具有與單晶中的摻雜和靜水壓截然不同的調(diào)控機(jī)理，這為認(rèn)識(shí)和理解PM相及其PM-AFI相變機(jī)理提供了新的依據(jù)。

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接

圖1.（a） V₂O₃中三角畸變與t2g能級(jí)劈裂關(guān)系示意圖；（b）V2O3薄膜晶格常數(shù)隨襯底溫度的變化關(guān)系；（c）V2O3與Al2O3的晶格/熱膨脹失配對(duì)V2O3薄膜晶格常數(shù)a的影響

圖2.不同襯底溫度下制備的V2O3薄膜電阻率隨溫度的變化關(guān)系

圖3.（a）室溫下V2O3薄膜PM相的拉曼光譜；（b）A1g模與PM-AFI相變特性的關(guān)系