二氧化釩納米帶的關(guān)聯(lián)電子態(tài)調(diào)控及其外場響應(yīng)性研究.pdf

1、在強關(guān)聯(lián)電子材料體系，電荷、自旋、晶格和軌道自由度之間存在著強烈的相互耦合和競爭，表現(xiàn)出豐富的相圖和許多新奇的物理現(xiàn)象，如高溫超導(dǎo)、電荷密度波、龐磁阻效應(yīng)和金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變等，既具有很深的基礎(chǔ)研究價值，又具有很大的應(yīng)用潛力，一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域關(guān)注的熱點。強關(guān)聯(lián)電子體系的調(diào)控不僅對理解這些復(fù)雜物理現(xiàn)象的微觀起源具有重要意義，而且有助于實現(xiàn)對復(fù)雜多體系統(tǒng)的物理新規(guī)律和新物相的探索。VO2是強關(guān)聯(lián)電子體系里最為經(jīng)典的二元氧化物材料，由于其內(nèi)

2、部電荷、軌道和晶格間強的相互作用，它在室溫附近(340K)有一個劇烈的金屬-絕緣體相變并伴隨著晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，引起了人們廣泛的研究興趣。對其金屬-絕緣體相變機制的理解和功能性應(yīng)用的實現(xiàn)一直是科學(xué)家們追求的目標。對VO2的關(guān)聯(lián)電子態(tài)的調(diào)控，不僅有助于VO2的金屬-絕緣體相變機制的探索，也為其新型量子行為和新物相的產(chǎn)生提供了新的途徑。同時，也可以幫助理解強關(guān)聯(lián)體系中各種相互作用的物理本質(zhì)，為新型功能材料的設(shè)計指引方向。
　　本論文工作

3、通過分析電荷、軌道、晶格和自旋幾個自由度的相互作用對VO2本征物理性質(zhì)的影響為切入點，選擇結(jié)構(gòu)明確的單晶VO2納米帶為具體研究對象，設(shè)計和發(fā)展了包括氫化效應(yīng)、配位作用和異質(zhì)界面構(gòu)筑等有效的關(guān)聯(lián)電子態(tài)調(diào)控手段，實現(xiàn)對VO2納米帶的自旋結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控并建立了關(guān)聯(lián)電子態(tài)、金屬絕緣體相變和外場響應(yīng)性之間的物理模型。獲得了VO2納米帶電子態(tài)的可控調(diào)制和對磁、光的機敏響應(yīng)，為從本源上理解強關(guān)聯(lián)體系微觀相互作用與新奇物理性質(zhì)之間的關(guān)系提供了

4、理想的模型。本論文的研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　1、在本章中，我們通過氫氣處理的策略調(diào)節(jié)VO2納米帶的一維V-V原子鏈的自旋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了VO2(M1)納米帶的室溫負磁阻效應(yīng)。氫氣處理后VO2(M1)納米帶成功的引入V3+(3d2)離子進入zigzag型V-V原子鏈，誘導(dǎo)鐵磁耦合的V3+-V4+二聚體形成超順磁的一維鏈結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了室溫低磁場下大的負磁阻現(xiàn)象，在0.5T的磁場下磁阻值高達-23.9％。對比分析表明，負磁阻效應(yīng)可歸因

5、于在鐵磁V-V二聚體間的電子自旋極化躍遷行為。此外，還觀察到在金屬絕緣體相變的區(qū)間發(fā)生正負磁阻轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，表明在一維電輸運的體系里結(jié)構(gòu)、自旋和電荷間強耦合產(chǎn)生了一種新型的磁輸運模式。我們期望一維原子鏈結(jié)構(gòu)為研究低維過渡金屬氧化物系統(tǒng)中的磁阻效應(yīng)背后的物理本源提供有效的材料平臺。
　　2、在本章，我們提出了界面電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)誘導(dǎo)VO2中V的3d軌道的一維電荷密度重構(gòu)，在VO2納米帶里成功穩(wěn)定了“單斜金屬態(tài)”VO2亞穩(wěn)相。實驗中，我們設(shè)

6、計有機分子/固體表面配位作用，利用L-抗壞血酸分子在VO2納米帶表面的螯合誘發(fā)V的3d軌道和L-抗壞血酸分子的前線軌道發(fā)生雜化，引起抗壞血酸分子的電子向VO2納米帶轉(zhuǎn)移。結(jié)合介電力顯微鏡(DFM)和掃描近場紅外譜(SNIM)，我們觀察到室溫穩(wěn)定的具有高電子密度的單斜VO2亞穩(wěn)相，具有類似金屬態(tài)的紅外散射。外電子的注入增加了3d軌道的電荷密度，使得dXZ亞殼層軌道的電子填充增加，引起八面體鏈方向V的t2g軌道的一維電荷密度重構(gòu)，表現(xiàn)出類似

7、金屬的電子態(tài);但是增加的電荷密度并不足以抑制Peierls扭曲，仍然發(fā)生向單斜結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。所以，外電荷的注入引起的一維電荷密度重構(gòu)誘導(dǎo)了這種新的單斜金屬態(tài)的VO2亞穩(wěn)相。這種新的亞穩(wěn)相表明了VO2的相變過程中的電荷密度、軌道選擇占據(jù)和Peierls不穩(wěn)定性相互競爭的狀態(tài)，使我們對VO2金屬-絕緣體相變機理有了更深的理解。同時，我們的結(jié)果有助于揭示強關(guān)聯(lián)材料里電荷、軌道和晶格間的相互作用與其新奇物理現(xiàn)象間的關(guān)聯(lián)。我們希望表面電荷轉(zhuǎn)移策略將

8、會是一個理想的手段來控制低維強關(guān)聯(lián)電子材料體系的電子態(tài)和研究其背后的復(fù)雜的物理機制，對于誘導(dǎo)發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)和設(shè)計新型電子器件有具有重要的意義。
　　3、本章中，我們利用單斜相VO2的窄帶隙特征(0.58 eV)，并結(jié)合界面異質(zhì)結(jié)的設(shè)計，構(gòu)筑了基于過渡金屬氧化物材料體系的高靈敏光導(dǎo)型紅外探測器。通過將單疇VO2納米帶進行表面原位氧化得到一層V2O5殼層，獲得了VO2/V2O5核-殼納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過計算發(fā)現(xiàn)這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面處可以形成