固體所在V2O3金屬-絕緣體相變的調控方麵取得新進展

近日 ，中國科學院合肥物質院固體所功能材料物理與器件研究部在V2O3金屬-絕緣體相變的調控方麵取得新進展 ，相關研究結果以“Tunable metal-insulator transition in strained V2O3 thin films epitaxially grown on SiC substrates”為題發表在Physical Review Materials （Phys. Rev. Mater. 8, 035001 (2024)） 。

V2O3作為典型的強電子關聯氧化物 ，在化學摻雜 、壓力和溫度等作用下發生從順磁金屬(PM)相到順磁絕緣體(PI)相和反鐵磁絕緣體(AFI)相之間的轉變 ，同時伴隨著電學 、磁性和光學等物性的顯著改變 ，這種獨特的物理特性使其在光電開關 、智能窗口 、信息存儲等領域具有廣闊的應用前景 。因此 ，V2O3金屬-絕緣體相變一直是凝聚態物理和材料科學的研究熱點 。然而 ，難以在半導體襯底上實現V2O3薄膜的外延生長極大限製了相關的應用研究 。

研究人員通過晶格對稱性和失配度分析發現寬禁帶半導體4H-SiC是一種適合V2O3薄膜外延生長的襯底材料 。如圖1所示 ，V2O3和4H-SiC的(001)麵內分別具有類似的氧和矽(碳)密排結構 ，兩者之間的失配度和夾角分別為5.2%和30° ，從而可以通過三角匹配的方式實現V2O3薄膜在4H-SiC襯底上的外延生長 。通過襯底溫度調製V2O3薄膜生長過程中的動力學及其應力弛豫度 ，利用V2O3和4H-SiC之間的晶格/熱膨脹係數失配實現了應力(εzz)的大範圍連續調節(-1.24%≤εzz≤1.58%) 。如圖2所示 ，當εzz=1.58%時 ，PM-AFI相變被強烈抑製 ；隨著應力的減小 ，PM-AFI相變逐漸恢複 ；當εzz=-0.71%和-1.24%時 ，PM相轉變為PI相 ，該相變所導致的電阻率變化∆R/R=107500% 。拉曼光譜的實驗結果表明應力通過調製三角畸變誘導了PM-PI相變 。該研究為V2O3金屬-絕緣體相變調控和基於V2O3薄膜的Mott器件構築提供了新的實驗證據和研究平台 。

該工作中 ，通過改變襯底溫度實現薄膜應力的調節是調控V2O3金屬-絕緣體相變的關鍵 。區別於通過改變襯底或薄膜厚度等熱力學條件而實現應力調節的方法 ，這是一種簡單有效的基於薄膜生長動力學調製的方法 。課題組近年來采用該方法在V2O3/Al2O3薄膜和(V0.99Cr0.01)2O3/Al2O3薄膜中實現了應力的大範圍連續調節和PM-PI/AFI相變的調控 ，闡明了相變機理(Phys. Rev. B 103, 085119 (2021); Phys. Rev. B 105, 035140 (2022)) 。研究團隊前期還基於電子關聯的設計思路 ，發現V2O3薄膜是一種高性能的空穴型透明導電氧化物材料(Phys. Rev. Applied 12, 044035 (2019)) ，並進一步通過壓縮應力利用晶格 、電荷和軌道自由度之間的耦合作用實現了V2O3薄膜載流子濃度和電導率的提高(Appl. Phys. Lett. 121, 061903 (2022)） 。

上述研究得到了安徽省重點研發計劃 、中國科學院合肥大科學中心協同創新培育基金和國家自然科學基金的資助 。

論文鏈接 ： https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.8.035001

圖1. V2O3和4H-SiC (001)平麵示意圖 。

圖2. 不同應力狀態下V2O3/4H-SiC薄膜的電阻率-溫度關係(a)和室溫電阻率隨應力變化關係(b) 。