金属-绝缘体相变材料的原位同步辐射研究

本项目拟利用原位同步辐射技术探索具有智能调温性能的钒氧化物金属-绝缘体相变材料在不同外场（温场、电场和光场）驱动下所产生的新奇热、光、电物理效应并阐明其相关物理机制为主线，重点利用XAFS、UPS、XRD、IR技术原位实时地检测钒氧化物相变材料在不同外场(温场、光场和电场)驱动下相变过程中的电子结构和晶体结构信息，总结归纳出局域结构(键长、配位数、无序度等)和电子结构与金属-绝缘体相变温度、相变迟滞回线宽度和红外调控性能之间的规律，明确其金属-绝缘体相变的物理本质，了解金属-绝缘体相变材料的红外调控控热微观机制、构建规律和设计原理。进而利用其规律进一步拓展金属-绝缘体相变材料体系，通过从分子层次到结构单元层次下的设计实现新结构或新物相金属-绝缘体相变材料的结构设计和化学合成；以实现具有室温相变温度、可见光透过率高且红外调控幅度大的金属-绝缘体相变材料为目标，研制出高性能智能红外调控器件。

在本项目实施中，我们在合肥同步辐射国家实验室XAFS实验站搭建了原位变温装置，建立了原位研究相变机制的平台，利用同步辐射变温XAFS方法，原位研究了VO2的金属-绝缘体相变机理，首次展示了VO2在相变温度点附近的原子结构和电子结构的变化，从原子结构层次提出晶体结构转变和电子关联性协同作用促使VO2 产生金属-绝缘体相变的微观机理。对精细浓度控制的钨掺杂二氧化钒系列样品的钨和钒原子的局域原子和电子结构进行了深入研究，首次发现掺入的W原子以相变核的形式存在于VO2晶格中；并随着含量的升高与体相VO2经历应变、扩张和稳定的动力学过程，同时利用红外光谱实现了鉴定二氧化钒体系中掺杂引起的结构扭曲。在利用近边X射线吸收精细结构谱指导功能纳米材料中的合成方法方面取得了重要系列进展，并首次实现了原子尺度厚度的单层VO2(B)结构的制备，并用XAFS解析其精细结构。并首次实现了类石墨烯无机单层结构，用XAFS给出了其精细结构，正是这种结构扭曲使得其单层结构的态密度在其导带底有明显增强，这无疑有利于其获得更高的载流子迁移率，进而提高其光电性能和光电化学性能。以上有关工作超额完成项目任务书的研究内容，共在Nature Commun，JACS， Angew Chem，Adv. Mater.等国际顶级刊物在内的SCI论文50篇。受邀为Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., Angew Chem., Nano Today撰写综述，两次被Nature Index报导。相关工作两次入选中国科学院重大科学基础设施重大成果。