斜切基片上外延生长二氧化钒薄膜中各向异性的调控研究

Vanadium dioxide(VO2) can undergo the Metal-Insulator Transition(MIT) under the condition very close to room temperature (341 K). In ideal condition, the resistance change can be as large as 4~5 orders of magnitude, which makes this material to show great application on microelectronics and optoelectronics. As a result, the routes to control the MIT feasibly in VO2 become the basis for the device application. Recently, the anisotropic MIT in epitaxial thin films modulated by the strain became the frontier in this field. However, this kind of research is mainly focused on the VO2 thin films epitaxially grown on TiO2 substrates. This only epitaxial structure is not sufficient to fully understand the mechanism of the physical properties in thin films. In this proposal, we choose the sapphire (11-20) substrates with the anisotropic in-plane lattice constant, the fundamental principles on epitaxial growth, strain relaxation and microstructure evolution of VO2 thin films are studied systemically. At the same time, the strain status is fine tuned by the miscut sapphire (11-20) substrate, and the control of the anisotropic MIT process is also deeply explored for building the related physical model in the view of macroscopy and microscopy, respectively.

二氧化钒(VO2)是一种能够在最接近室温的条件下(341K)产生金属-绝缘转变的氧化物功能材料。理想条件下，VO2在转变前后电阻值的变化可以达到4~5个数量级，在微电子、光电子器件中展现出巨大的应用价值。因此，如何有效地调控VO2中的金属-绝缘相变是实现该种材料器件应用的基础。最近，在外延薄膜里实现由应变调控诱发金属-绝缘转变的各向异性，成为了该领域研究的前沿问题。然而，该类研究主要集中于TiO2基片上生长的VO2外延结构，单一的研究体系不足以充分的理解外延薄膜中这类性质的产生机理。本项目选用面内晶格常数各向异性的蓝宝石(11-20)基片，系统地研究VO2薄膜外延生长、应变释放、微结构演化等基本规律。同时，通过斜切蓝宝石(11-20)基片的手段实现微调基片引入外延VO2薄膜应变，分别从宏观和微观的角度深入研究此种方式调控外延VO2薄膜的金属-绝缘转变过程中的各向异性，建立相应的物理模型。

界面工程是调控二氧化钒(VO2)是金属-绝缘转变的特性的重要手段之一。由界面效应诱发的VO2临界现象的研究往往集中于和VO2/TiO2外延结构，单一的研究体系不足以充分的理解外延薄膜中这类性质的产生机理。本项目基于重构蓝宝石基片表面纳米结构，研究了表面微结构对VO2外延结构的应变效应和物理响应。集中探讨了VO2纳米薄膜在光/电场诱发下，响应的各向异性，并建立了物理模型。得到如下结论：(1)由纳米结构形状产生的退极化场会诱发物理响应各向异性；(2)在重构m面蓝宝石基片上外延VO2薄膜会产生晶格对称性破缺；(3)斜切a面蓝宝石基片可以在薄膜引入切向应变，通过切向应变可以调控VO2的临界转变。界面工程是调控二氧化钒(VO2)是金属-绝缘转变的特性的重要手段之一。本项目将为认识VO2/蓝宝石界面演变提供有力的实验支撑，对VO2薄膜的光电器件有实际的应用价值。.本项目执行期间发表SCI论文9篇，其中项目主持人作为第一/通讯作者在Appl. Phys. Lett.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Adv. Opt. Mater.等领域内一流期刊上发表5篇，在中国材料大会电子材料分会做邀请报告一次，申请中国发明专利1项，培养硕士研究生4名，已经毕业1名。