微纳尺度VO2的力致相变机制及力电耦合性能研究

Metal-insulator transition (MIT) materials are considered to be alternate candidates for information processing to replace the Si-based technology to keep the Moore's law alive. As a MIT material, the properties of VO2 at micro to nano scale has been widely studied because its metal-insulator transition (MIT) temperature (~341 K) is experimentally easily accessible. It has been unveiled that the MIT in VO2 can be triggered by both temperature and stress and is accompabied with structural phase transition (SPT). However, the mechanism of the MIT in VO2 is still under debate due to the presence of several complex insulating phases that have similar free energies and can be controlled by fluctuation of temperature and stress. The reliability of the VO2-based devices is also lack of study. We propose to approach the full understanding of the pathway of the MIT by investigating systematically the evolution of crystal structures of VO2 micronano structures without and under various external stresses by taking advantage of the in situ multi-field coupling test stage and the high structure resolution of synchrotron polychromatic x-ray microdiffraction. By applying the in situ quantitative TEM technique, the electrical and mechanical properties coupled with the elastic deformation and phase transition of VO2 will be fully studied in order to predict the reliability concerns of the real devices related to VO2. Furthermore, the micronano structure of the VO2 crystals will be tailored to improve its physical properties by optimizing the synthetic process.

作为一种相变点接近室温的金属-绝缘体相变(MIT)材料，VO2有望在信息技术中取代传统材料以保持摩尔定律的有效性，因此其微纳尺度性能备受关注。研究表明其MIT可由温度或应力引发并伴随结构相变(SPT)，相变机制决定MIT与SPT是否同步。目前对MIT机制的研究集中于热致相变，而对力致相变机制的研究比较缺乏。由于VO2具有多个结构复杂的绝缘体相且这些相可在一定的应力作用下相互转变，科学界对VO2的力致相变路径仍存在争议，且对VO2器件在服役条件下的可靠性缺乏定量研究，极大限制了其应用。本项目针对力致相变机制和器件可靠性这两大问题，以一维VO2微纳单晶为研究对象，采用原位TEM与原位同步辐射相结合的技术，利用多场耦合测试平台，系统定量地研究微纳尺度VO2力致相变的路径，力致相变与SPT的时间先后顺序，及电阻率随应变的变化规律，揭示相变机制，预测VO2器件的可靠性，为实际应用提供坚实的实验基础。

作为一种相变点接近室温的金属-绝缘体相变材料， VO2有望在信息技术中取代传统材料以保持摩尔定律的有效性，因此其微纳尺度性能备受关注。本项目的研究内容包括：VO2纳米线的可控制备；微纳尺度材料力电耦合性能测试平台的设计和开发；利用先进材料表征测试技术对微纳尺度材料的微观组织结构及性能进行研究。.本项目的研究成果及意义包括：.发展了一种纳米线的快速、可控焊接；设计制造了一套高普适性力电耦合测试装置；发展了一套用于快速分析同步辐射微衍射数据的算法和软件；发展了一套自动、半定量地表征位错类型和密度的算法和软件。申请发明专利4项，授权1项，一通回案实审3项；授权实用新型专利1项；注册软件著作权2项。.探索VO2纳米线的合成条件，实现了不同初始相VO2纳米线的可控合成；对不同初始相的VO2纳米线进行了力电耦合的原位研究，观测了M1相纳米线从M1相到M2相的力致相变，研究了纳米线电阻率的演化，测量了合成M1相、力致M2相、合成M2相的表观模量并进行了微观机理的解释；通过焦耳热的方法实现了VO2的绝缘体-金属相变，测量了不同初始相的纳米线伴随相变的长度变化，实验验证了VO2纳米线作为纳米驱动器的可行性；研究了电子注入对VO2电阻率及相变机制的影响，为大范围调控VO2电学性能提供了思路，为相变机制的理解提供了实验依据。.研究了ZnO纳米线的形貌及力电性能与缺陷密度的定量关系，揭示了缺陷密度对其表观模量、电阻率、压阻系数等重要物理性能的影响规律，为其在压阻、压电器件中的应用提供了实验支持。.研究了3D打印镍基高温合金内残余应变的分布，讨论了柱状晶-等轴晶转变的机制，研究了外延生长界面力学性能的非均一性，为其品质评估和控制提供了参考；研究了无铅焊锡在电迁移作用下的变形机制，为无铅焊锡在电子行业的使用中给予指导意义；研究了多晶Nd2Ir2O7材料内的晶体取向分布，对其电导率的分布规律进行了揭示；研究了自然地质构造香肠石中石英晶体内的残余应力，揭示了香肠石结构的成因。