VO2纳米材料的压力/温度驱动金属-绝缘体相变研究

VO2 is a prototypical strongly correlated electronic oxide. Metal-insulator transition (MIT) of VO2 is an important subject of the condensed matter physics field. The study of its MIT mechanism not only has profound influence on the advance of condensed matter physics, but also possesses guiding significance for exploring and applying novel functional materials. In this project, we plan to take VO2 nanomaterials as research object to study MIT behaviors driven by pressure, temperature, or its coactivation, using high pressure and high temperature apparatus combined with various in situ measurement techniques of Raman, IR, synchrotron radiation X-ray diffraction, X-ray absorption fine structure spectroscopy, pair distribution function analysis, and so on. Our research will reveal the influences of nanosize effects and domain structures on its physical properties and phase transition behaviors, ascertain the form of the intermediate phase and the fine structure of the metal phase during MIT transition process. Especially, using VO2 nanomaterials as research model, can avoid disadvantageous effects of domain structure on essential physical properties. This opens a new way to deeply understand the physical properties and phase transition behaviors for strongly correlated electronic system under pressure and temperature. High pressure and high temperature study will enrich the phase diagram of VO2 further, and provide experimental evidence and theoretical guidance for exploring novel functional materials.

VO2作为一种强关联电子体系氧化物的原型，其金属-绝缘体相变（MIT）一直是凝聚态物理研究领域的重要课题。其相变机理研究不仅对凝聚态物理的发展有着深远影响，同时也对新型功能材料的应用和开发具有重要指导意义。本项目拟以VO2纳米材料为研究对象，利用高压、高温技术结合原位拉曼、红外、同步辐射X射线衍射、X射线吸收精细结构谱、对分布函数分析等实验手段，研究VO2在压力、温度以及两种因素共同驱动下的MIT相变规律，揭示纳米尺寸效应及畴结构对其物理性质和相变特性的影响，确定MIT相变过程中过渡态的存在形式以及金属相的精细结构，从晶体结构以及原子结构层次揭示其相变机制。以VO2纳米材料为研究模型，克服了畴结构对其本征物理特性的影响，为深入认识强关联电子体系材料在压力和温度作用下的物理性质和相变规律开辟了新途径。高压高温研究将进一步丰富VO2体系的结构相图，为探索新型功能材料提供实验依据和理论指导。

强关联电子材料VO2的绝缘-金属态转变（IMT）一直是凝聚态领域的重要研究课题，对理解超导等新奇物理特性具有重要意义。目前，对于IMT的物理机制仍没有清晰的认识。高压作为一种纯净的结构和电子态调控手段，为研究电子关联体系的本征物理特性提供了有效途径。本项目中，我们制备了多种不同晶型和不同尺寸的VO2纳米材料，并利用高压原位拉曼、红外、同步辐射X射线衍射、对分布函数分析等实验手段研究了不同晶型VO2纳米材料的结构相变和IMT转变。研究发现，纳米尺寸效应对VO2（M1）的相变温度和相变过程有重要影响，从原子尺度揭示了其微观结构相变过程，为进一步降低IMT转变温度提供了指导。发现了VO2（M1）的压致结构相变与压致金属化相分离，揭示了其压力诱导的IMT转变是电子关联主导的Mott相变，澄清了当前对IMT转变过程物理机制（Mott或Peierls相变）的争议。首次在VO2体系发现了压致金属非晶态，通过压力调控实现了非晶态VO2金属-绝缘态间的可逆变换，从原子层面揭示了最近邻V-V键是影响其电输运性质的关键，为研究非晶强关联电子体系提供了新模型。利用高压手段获得了多种高压亚稳相半导体及金属态VO2纳米材料，为制备新型功能材料提供了新思路。建立了多种晶型VO2纳米材料的高压结构相图，丰富了对VO2体系的认识，加深对该体系IMT物理机制的理解，为进一步调控其结构和电子态提供了指导。通过本项目的研究，已在PRB、Nanoscale、JPCC等杂志发表SCI论文20篇，授权发明专利1项。