清华于浦团队实现纳米尺度上绝缘体—金属相变的调控

【导读】

强关联氧化物材料具有众多有趣的物理性质，绝缘体-金属相变就是其中之一。在绝缘体-金属相变（IMT）中，电导率会因为外界刺激而发生绝缘体-金属转变急剧变化，这一现象在过去几十年里备受关注。通过电场操纵IMT在多功能器件中有着广阔的应用前景，例如存储器、智能窗口、光学调制器、阻变器件等。最近的研究表明，电场控制的离子演变可作为实现IMT的简单且有效的途径。而在这些研究中，氢作为最小和最轻的掺杂元素，表现出了电场驱动下迁移快、调控能力强等特点，被广泛应用于电场诱导的材料物性调控当中。通过电场驱动下材料中氢离子的嵌入和析出，获得了磁性调控、超导增强和绝缘体—金属相变等一系列有趣物性。为了促进样品氢化，通常需要使用液体或固体电解质的电场门控（gating）技术，以将质子引入样品来触发结构转变和IMT。然而，这种方法通常涉及复杂的器件结构和难以捉摸的电化学反应，这给具有纳米尺度可调谐功能的器件微型化带来了极大的技术挑战。而有效实现氢化的另一种途径则是使用铂催化剂辅助的氢化作用。尽管这种方法可以用于纳米级的氢化工程，但在实践中缺乏可控性。总的来说，传统离子调控策略面临着难以在纳米尺度实现有效操控和调控时间长等困境，制约了相应的功能应用探索。

【成果掠影】

近期，清华大学于浦教授（通讯作者）等人使用扫描探针显微技术，实现了纳米尺度氢化的可逆电场调控。在这一过程中，镀铂纳米探针作为具有氢催化活性的催化剂可分解气体氛围中的氢分子形成氢离子，随之施加的正向偏压则可在针尖和样品表面之间加速氢离子，使其注入VO₂薄膜，从而使得绝缘VO₂转变为非易失导电的H_xVO₂；而当施加负向偏压时则可以触发脱氢反应，使样品重新恢复绝缘态，进而完整地实现了电场作用下的可逆氢化和绝缘体—金属相变。这项工作通过氢演化展示了电场控制下局部、可逆的绝缘体-金属相变，有望为在纳米尺度开发多功能器件提供强大的多样化平台。该文第一作者为清华大学物理系博士后李玲龙（入选“博士后创新人才支持计划”，现入职东南大学物理学院），文章以题为“Manipulating the insulator–metal transition through tip-induced hydrogenation”发布在国际著名期刊Nature Materials上。

【核心创新点】

1.利用探针偏压，有效地降低了质子与氧化物间的表面嵌入势垒，将相变速度从宏观器件的分钟量级提高到了毫秒量级。

2.在电场作用下，实现了纳米尺度的氢离子可逆调控，并有望将离子调控扩展到众多的氧化物、二维材料、超导材料等体系。

【图文解读】

图1.通过氢化作用实现VO₂薄膜的IMT。© 2022 Springer Nature Limited

（a）孤立铂颗粒协助的氢化作用示意图；

（b）在Al₂O₃衬底衍射峰附近对VO₂（蓝线）和氢化H_xVO₂（红线）进行X射线衍射扫描；

（c）热处理前后VO₂薄膜的温度依赖性表面电阻；

（d）在室温下对测得的VO₂和氢化H_xVO₂拉曼光谱进行比较。

图2.利用扫描探针在VO₂中进行氢化操纵。©2022 Springer Nature Limited

（a）针尖诱导氢化示意图；

（b）针尖诱导图案化的氢化H_xVO₂区域；

（c）针尖诱导氢化中温度和针尖电压的依赖性；

（d）不同扫描针尖和气氛中的针尖诱导氢化；

（e）改变探针的扫描频率后得到的针尖诱导氢化的转变速度。

图3.针尖诱导氢化操纵IMT。© 2022 Springer Nature Limited

（a）针尖扫描区域的氢浓度SIMS分布；

（b）钒离子的价态演变；

（c） 针尖写入区域的电流分布；

（d）探针诱导氢化前后温度依赖的电阻变化。

图4.针尖诱导氢化的可逆性以及空间分辨测试。© 2022 Springer Nature Limited

（a）利用两种相反偏压进行可逆氢化和脱氢过程后的电流分布；

（b）利用AFM探针作为顶电极，在不同区域测量局部I–V曲线；

（c） 写入电压为10V时，马赛克图案的电流分布；

（d）沿着（c）中白线的电流分布分析。

【结论与展望】

本项研究利用二元氧化物VO₂来证明通过氢化作用可实现探针诱导的IMT。VO₂具有从低温单斜相到高温金红石相的近室温IMT行为，该行为伴随着高达几个数量级的剧烈电阻率变化。由于其IMT可通过外部刺激进行控制，VO₂已广泛应用于存储器、超材料、智能窗口等许多其他领域。而在本工作中，作者在VO₂上实现了扫描探针诱导的IMT。在偏压针尖扫描期间，氢离子通过针尖-表面结被引入样品，从而通过氢化作用将VO₂转变为H_xVO₂。这项工作阐释了基于扫描探针显微技术所具有的纳米级空间分辨率可对VO₂的IMT进行纳米级操作。更重要的是，这项研究为实现氢演变的局部控制开辟了一条便捷有效的途径，为操纵微观现象（相分离、畴结构、相边界等）提供了巨大的可能性，也为开发探针直写功能器件提供了广阔的应用前景。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01373-4