二氧化钒的电子掺杂研究

论文摘要

由于电子间的关联效应,强关联氧化物具有许多新奇的物理性质,如金属-绝缘转变、超导转变、磁有序等。作为典型的二元过渡金属氧化物,二氧化钒（VO2）在临界相变温度68℃附近展现出独特的金属-绝缘相变特性,同时在相变过程中伴有晶体结构、红外透射率、磁性质等突变。这些独特的相变特性不仅使V02成为一个研究氧化物电子关联物理效应的模型体系,而且使得该相变材料在温控开关、激光防护、智能窗应用以及微机械等领域展现出广阔的应用前景。尽管V02相变材料的研究已经持续了数十年,然而其相变机理依然处于Peierls机制和Mott机制的争论中,另一方面较高的相变温度仍然是VO2实用化的瓶颈问题。最近一些研究表明电荷掺杂可以有效地调控关联氧化物的性质,因而本文通过三种方式电子掺杂VO2体系,同时结合先进的电输运测量、光谱学测试、同步辐射表征以及第一性原理理论计算,从宏观物性、晶体结构、能带和电子态等多角度对电子掺杂的VO2体系进行系统地研究,从而深入探讨VO2的相变机理以及有效的相变调控途径。本文主要的研究内容和取得的研究成果概括如下:1.采用固体电介质或者液体电介质构筑的VO2场效应晶体管结构,可能面临漏电流、击穿、界面电化学反应等问题,使得研究电场调控VO2相变的物理机制变的复杂。另外,从传统外电场施加偏压的方式不够灵活,在一些特殊应用场景下可能受限。因此在研究中,我们引入摩擦电效应作为电子掺杂手段,通过外力摩擦两个摩擦层,再分离,可以在VO2沟道里实现1010-1011cm-2浓度的静态电子掺杂。不同温度下的原位电阻测量表明,这种浓度的电子掺杂在VO2相变区可以显著地影响VO2相变特征。通过有限元分析仿真了电子在VO2沟道聚集,结合第一性原理计算揭示了静电掺杂控制VO2相变特征的机理。2.在三端结构中,液态电介质、电解液相对于固体电介质被证明可以实现更高浓度的电荷掺杂和非易失性的电化学掺杂。实验中我们首先通过分子束外延生长不同取向的VO2薄膜,再选取锂离子电解液,在外加偏压下成功实现了锂离子在VO2晶格中的动态嵌入/脱出,从而实现了 VO2非易失相变调控,且这种调控效果高度依赖于晶面取向。同步辐射谱学测试表明锂离子掺杂有效地改变了 VO2的晶体结构,并增加了电子对/2g轨道的占据,第一性原理计算表明对该电子轨道的占据能够在常温下金属化V02。另外,动力学仿真表明锂离子沿着[001]晶向的扩散能垒最低。3.使用独立的电子源:低功函数金属,独立的质子源:酸性溶液,在实验中将低功函数的金属和VO2薄膜接触后置于酸液中,成功实现了常温常压下电子-质子协同掺杂VO2。这种协同掺杂效果非常显著,不仅使VO2薄膜能够抵抗酸液的腐蚀,而且可以轻松地实现VO2三态相变。通过多种表征手段和理论计算证明这种协同效应的机理基于功函数差异导致电子注入、质子破除静电屏蔽、电子掺杂抗腐蚀等三者间的完美配合。最后,我们指出这种协同机制具有普适性,可以进一步推广到电子-离子协同效应。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 背景介绍
• 2相变'>  1.2 VO₂相变
•     1.2.1 结构变化
•     1.2.2 能带变化
• 2金属-绝缘转变机理'>  1.3 VO₂金属-绝缘转变机理
•     1.3.1 能带论基本思路
•     1.3.2 Peierls机理
•     1.3.3 Mott机理
•     1.3.4 计算
• 2金属-绝缘转变'>  1.4 驱动VO₂金属-绝缘转变
•     1.4.1 温度
•     1.4.2 光量子效应
•     1.4.3 高压
•     1.4.4 应力
•     1.4.5 电荷掺杂
•   1.5 小结
•   1.6 本论文内容安排
• 2薄膜和表征方法'>第2章 分子束外延制备VO₂薄膜和表征方法
•   2.1 引言
•   2.2 MBE生长薄膜过程
•     2.2.1 MBE设备工作原理
•     2.2.2 其他薄膜制备法
•   2.3 表征方法
•     2.3.1 电学表征
•     2.3.2 光谱表征
•     2.3.3 X射线表征
•   2.4 小结
• 2电子掺杂'>第3章 摩擦电效应实现VO₂电子掺杂
•   3.1 本章摘要
•   3.2 研究背景介绍
• 2场效应器件'>    3.2.1 VO₂场效应器件
•     3.2.2 摩擦电效应
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 工作原理
• 2沟道电阻'>    3.3.2 调节VO₂沟道电阻
•     3.3.3 诱导电荷量及讨论
•     3.3.4 第一性原理计算
•   3.4 小结
•   3.5 实验方法
• 2薄膜生长'>    3.5.1 VO₂薄膜生长
• 2设备'>    3.5.2 TENG-VO₂设备
•     3.5.3 样品表征
•     3.5.4 第一性原理
• 2相变'>第4章 锂离子各向异性掺杂实现VO₂相变
•   4.1 本章摘要
•   4.2 研究背景介绍
•     4.2.1 静电场机制
•     4.2.2 氧空位机制
•     4.2.3 H掺杂机制
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 电学结果
•     4.3.2 结构表征
•     4.3.3 X射线吸收谱
•     4.3.4 计算与仿真
•   4.4 小结
•   4.5 实验方法
•     4.5.1 材料制备
•     4.5.2 样品表征
•     4.5.3 仿真与计算
• 第5章 电子-质子协同效应调节关联氧化物相变
•   5.1 本章摘要
•   5.2 研究背景介绍
•     5.2.1 空穴型掺杂
•     5.2.2 电子型掺杂
•     5.2.3 氢元素掺杂
•     5.2.4 需要解决的问题
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 电子-质子协同效应的效果
•     5.3.2 电子-质子协同效应动态过程
•     5.3.3 几点讨论
•   5.4 小结
•   5.5 实验方法
•     5.5.1 材料制备
•     5.5.2 样品表征
•     5.5.3 同步辐射测量
•     5.5.4 仿真与计算
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈宇粮

导师: 张国斌,邹崇文

关键词: 电子掺杂,关联氧化物,二氧化钒,金属绝缘转变,相变,分子束外延,协同效应

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O469

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000091

总页数: 127

文件大小: 14777K

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