vo2外延薄膜的相变调控研究核科学与技术专业论文.docxVIP

摘要摘要 摘要 摘要 强关联体系是当前凝聚态物理中最突出的问题之一。二氧化钒(V02)是一 种典型的强关联过渡金属氧化物，在室温附近(68*(2)会发生可逆金属一绝缘相 变，相变过程中伴随着晶格结构、电学、光学、磁性的巨大变化。除了热致相变， VO：在一定的电场、光场、应力、载流子注入、元素掺杂等多种外界条件下同样 能够触发金属．绝缘转变，且触发条件与VOz本身的形貌、晶面取向、表面结构 和吸附等息息相关，这给V02相变调控的研究提供了多重的实验路径，展示出丰 富的物理内涵。弄清VOz在相变过程中结构转变和电子态变化之间的关系，以及 电子．电子关联在其中所起的作用，具有重要的理论价值。另一方面，接近室温的 临界相变温度和优良的相变性质，给VOz提供了广阔的应用前景，诸如智能窗、 记忆存储、场效应晶体管、气体传感器等。 本论文的主要内容和取得的成果如下： (1)通过改进分子束外延固态源的电子束蒸发枪，理论模拟了固态源和电子 发射灯丝之间的电场分布和电子运动轨迹，优化了电子枪的构型使得高能电子聚 焦于固态源的尖端一点，从而获得了稳定可靠、速率可控的原子／分子束流。在 此基础上，利用氧射频一分子束外延设备在蓝宝石衬底上成功的制备了两英寸大 小的高质量V02薄膜，在Ti02，MgF2衬底上生长了应力大小可控的异质外延高 取向V02薄膜，具备优良的电学、光学相变特质。 (2)利用离子液体在二氧化钒单晶薄膜表面构筑场效应(FET)结构，通过 控制外加偏压的大小和时间来调控其相变过程。实验结果表明这种相变过程的调 控在宏观尺寸二氧化钒薄膜样品中具有薄膜厚度上的依赖特征，调控过程本质上 源于在电场作用下，离子液在较强的界面电势作用下逐渐夺取V02中的氧原子的 过程，晶格中形成的氧空位造成电子掺杂效应，从而触发V02相变。通过对这一 过程中VOz电学、光学、结构性质异常变化的原位追踪与分析，发现氧空位和与 之相联的金属态VOz的形成是一个持续进行的，从空气．薄膜界面到衬底一薄膜界 面逐渐渗透的过程，且具有几十纳米的最大渗透深度。 (3)研究了氢掺杂对V02相变的影响，通过控制氢在V02中的含量，可以 可逆调控V02的金属．绝缘相变。少量氢掺杂会使V02从绝缘M相转变为室温金 属态H．V02，进一步提高氢掺杂浓度会使金属态H—V02转变为室温绝缘态H-V02， 加热释放氢可使两种H-V02转变回初始M相。M．V02，金属态H-V02，绝缘态H— V02是三种不同物相，通过改变V02中H的浓度，就可使V02在这三种物相之间 互相可逆转换，同时借助一系列原位表征手段研究了相应的结构、电学、光学的 巨大变化。进一步的，利用第一性原理计算模拟了晶格中H浓度持续增加时， VOz逐渐发生的结构和电子态变化，与实验现象符合良好。分析表明这一过程是 万方数据 摘要掺氢过程中，电子掺杂引起费米面的持续抬升而导致的结果。 摘要 掺氢过程中，电子掺杂引起费米面的持续抬升而导致的结果。 关键词：二氧化钒，金属．绝缘转变，外延薄膜，分子束外延，场效应晶体管，氢 掺杂，相变 II 万方数据 AbstractAbstract Abstract Abstract Strongly correlated materials，in which electron-electron interactions play a central role，often have remarkable properties and transitions．As extensive researched correlated transition-metal oxide，vanadium dioxide(v02)exhibits dramatic metal—insulator transition(MIT)at 68。C，along with remarkable changes of lattice stucture，electronic，optical and magnetic properties．Besides the normal thermal induced phase transition，The MIT process of V02 can also be triggered by electronic field，radiation field，strain，carder injection and atomic doping．These attempts to modulate the MIT process are always associated with the status of the V02 material including its morphology,c