钒氧化物中金属-绝缘体转变相关的问题研究

The mental-insulator transitions in vanadium oxides, especially in VO2, are closely related to their specific structure transitions. Understanding of their causes involve many fundamental physical problems, while the dramatic shifts of optical and electrical properties which accompanied with the phase transition show so great application prospect. This project takes VO2 as the main object of study. First, dope various transition metals with different ionic radius and control the oxygen content to bring in electron or hole，and change the lattice stress, to discuss the possibility of effectively regulating transition temperature. Second, use the ESR and the ultra-high magnetic field (~75T) to do research on such materials, based on the electron spin resonance spectroscopy before and after phase transition, the electronic transport and the magnetic properties under ultra-high magnetic field, to explore the causes of the mental-insulator transition in these oxides. Third, choose the appropriate second phase materials, such as ferroelectric materials, ferromagnetic materials and multiferroic materials to form two-phase systems with vanadium oxides in suitable combination, and use the stress variation along with the structure transition to achieve the control of ferroelectric properties of ferroelectric materials, ferromagnetic properties of ferromagnetic materials, and the magneto-electric coupling effect of multiferroic materials.

钒氧化物特别是VO2所表现出的金属-绝缘体转变与其自身的特殊结构相变密切相关，对其起因的了解涉及到很多基础性问题，同时伴随相变而发生的光学、电学性能的突变使之展现出巨大的应用前景。本项目以VO2为主要研究对象，一是通过V位不同离子半径的过渡金属的掺杂以及氧含量的控制，从电子或空穴引入以及晶格畸变的角度，探讨实现转变温度的有效调控的可能；二是将电子自旋共振和超强磁场（~75T）应用于这类材料的研究，基于相变前后电子自旋共振谱以及超强磁场下电子输运和磁等性质的变化规律的分析，探讨了解这类氧化物中金属-绝缘体转变的起因；三是选择合适的第二相材料，如铁电、铁磁或多铁等材料，将第二相材料同钒氧化物一起以适当的结合方式形成二相系统，利用钒氧化物结构相变引起的应力变化实现对铁电材料的铁电性能、铁磁材料的磁性能以及多铁材料的磁电耦合效应等的调控。

VO2具有独特的金属-绝缘体转变特性以及转变前后电学、光学性能等的突变，使其显示出巨大的潜在应用。目前对VO2的研究主要集中在两大方面，一是金属-绝缘体转变的起因，自VO2发现以来一直没有定论，对其了解涉及到很多基础性的物理问题，另一是在保持电学、光学性能等在转变前后有良好的突变性质的前提下，如何将转变温度降低到室温附近，以有利于其潜在应用价值的发挥。本项目围绕金属-绝缘体转变的起因以及如何调控转变温度开展实验和物理研究，主要结果概述如下：1）提出V-V链上相邻V4+离子之间的间隔是影响金属-绝缘体转变温度的关键因素，并通过V位较大离子半径的过渡金属掺杂可有效降低金属-绝缘体转变温度，在Nb掺杂的情况下，仅3%Nb掺杂就可实现室温附近的金属-绝缘体转变，这对VO2的实际应用具有重要意义；2）在金属-绝缘体转变温度附近观察到由磁化率突降所表征的磁相变，我们解释这一相变源于从高温Pauli顺磁态到低温二聚体态的转变，这一认识对了解金属-绝缘体转变温度附近的相关物理问题具有重要的科学意义；3）通过将VO2模型为二电子系统并进行理论分析，提出来自相邻V4+离子的电子间的自旋交换作用是二聚体形成的原因，这一观点对了解与二聚体相关的物理具有重要的科学意义；4）提出金属-绝缘体转变源于从高温Pauli顺磁态的金属导电性到低温二聚体态的绝缘体的转变，这一观点不同于以往提出的各种理论或模型，对了解金属-绝缘体转变的真正的物理起因具有重要的基础研究意义。项目执行过程中，发表了十多篇SCI论文，获授权专利1项，申报专利1项，培养博士生4名，两人获得博士学位，另两人近期答辩。