纳尺度二氧化钒相变机理和传导特性及其力学载荷调控研究

Low-dimensional vanadium dioxide has a remarkable metal-insulator phase transition (MIT). The MIT shows a distinct M-R(Monoclinic-Rutile) domain evolution, an abrupt jump in resistivity, and complicated coupling behaviors (i.e., mechanical, electrical and thermal, etc.), which is significantly important in both fundamental theory of phase transition and nano devices applications. However, it is still unclear in the formation, evolution, stability and controllability mechanisms of M-R domain during phase transition, and there are few systematic researches of complicated coupling influences of mechanical, electrical and thermal effect on MIT. The potential applications of low-dimensional vanadium dioxide are also needed to be further developed. In this project, with comprehensively considering the mechanical, electrical and thermal factors, that affect the properties of domain structure, phase transition and conductivity charasteristics, we will explore the domain evolution mechnisam, and conduct a systematical study on the controllability mechanisms of the applied load for the M-R domain structures in low-dimensional vanadium dioxide, including the transition, conductivity charateristics, and develop the potential application. Furthermore, we will combine first-principles calculations as well as experimental analysis to make a quantitative analysis model of M-R domain structures and the controllability of MIT coupling the mechanical, electrical and thermal effect, and generate a strain–temperature phase diagram for low-dimensional vanadium dioxide to demonstrate the MIT for engineering, which should lay a research foundation for related device applications.

低维纳米二氧化钒具有显著的金属-绝缘体相变，相变伴随着明显的M-R畴结构演变和巨大的电阻突变,其相变表现出的复杂力-电-热耦合行为和可调控性在相变基础理论和相关微纳器件研发方面均有重要科学价值。然而当前低维纳米二氧化钒的M-R畴结构形成、演变和稳定机制以及调控机理仍不清晰，也鲜有针对畴结构和相变力-电-热耦合效应的细致探索和研究，其潜在应用有待进一步开发。基于此本项目将综合考虑力、电、热等诸多因素对低维纳米二氧化钒畴结构、相变及传导特性的影响规律，揭示M-R畴结构演变机制，系统研究外加载荷对低维纳米二氧化钒畴结构、相变和传导特性的调控机理，开发基于低维纳米二氧化钒的潜在应用。另外，本项目将结合第一性原理计算和多种实验手段构建低维纳米二氧化钒相变过程中M-R畴结构和相变调控的力-电-热耦合效应的定量分析模型，并给出比较详细的具工程应用价值的相图，为低维纳米二氧化钒功能器件应用奠定基础。

围绕低维纳米二氧化钒M-R畴结构的形成、演变和稳定以及传导特性、相变调控及其机理，针对多种低维纳米结构，如纳米薄膜、纳米带、纳米线和纳米岛等，开展系统的理论分析、实验制备及测试分析研究。设计了一系列的沉积参数对所沉积的VO2薄膜质量的影响，并探索出了沉积VO2薄膜的最佳参数。运用探索出的沉积VO2薄膜的沉积参数，制备了纯相和掺杂的VO2薄膜，得到V1-x InxO2薄膜的SMT性能。掺杂薄膜的相变温度Tc没有明显变化，但是通过掺杂In3+首次实现了掺杂对相变幅度ΔA的提升，在基本不改变Tc的前提下，提高了相转变幅度，增大了相变锐利度，为基于In的复合掺杂提供了新思路。制备了不同W、Zn掺杂浓度的VO2薄膜，测量了不同掺杂浓度下薄膜的电阻率随温度变化的关系，得到了随着掺杂浓度的升高，薄膜的相变温度明显，薄膜的相变迟滞下降，薄膜的相变幅度下降，薄膜的电阻温度系数下降，并解释了掺杂W、Zn原子对掺杂VO2薄膜性能的影响。运用椭偏仪表征了薄膜的透过率随掺杂浓度的变化关系，掺入Zn原子使得薄膜对可见光的透过率提高超过30%，降低了薄膜在室温下薄膜偏黄的程度。在此基础上成功研制基于VO2/PZT/Nb-STO的场效应器件，并对器件的调制性能和相变调控性能进行了测试。实验结果表明VO2器件的输出特性良好，具备明显的栅压调制效应，在较低的栅极偏压下器件的调制比达到了80%以上，并且响应迅速无时间滞后效应。通过采用高介电常数的PZT材料作为栅绝缘层，在较低电压下能提供更强的电场效应，使得最终器件的调制效果优于其他材料的效果，并且克服了离子液体栅不易于器件化的阻碍，为VO2场效应管的器件化奠定了基础。