N原子掺杂VO2薄膜中空穴载流子调变对金属-绝缘体相变特性的影响

　　二氧化钒（VO₂）是一种典型的电子强关联材料，在约340 K时发生由低温绝缘态到高温金属态的金属-绝缘体突变（MIT相变）。相变前后，材料的电阻率以及红外透过率均发生几个数量级的变化，这种性质使得VO₂在智能窗和热传感方面具有巨大应用前景。不过，影响VO₂实际应用的主要障碍之一仍在于其偏高的相变温度和不太清晰的相变机制，因此调变相变温度到接近室温以及机理研究成为当务之急。研究表明掺杂较大的过渡金属原子或通过施加偏压、光照等手段改变载流子与晶格的相互作用，都能有效降低VO₂相变温度。不过，对于驱动VO₂发生MIT相变的机制还没有真正清楚，是单粒子图像下的Peierls结构相变占主导还是电子相关效应下的Mott电子相变主导仍有较大争论。 

　　来自中国科学技术大学国家同步辐射实验室的研究小组提出一个创新的思路，利用低能离子注入手段向VO₂单晶薄膜可控掺杂一定浓度的N原子，考察电荷掺杂引起空穴-晶格耦合作用的改变对VO₂ MIT相变行为的影响。因为N原子具有和O原子非常相近的离子半径大小，但电子数目减小，因此在VO₂晶体中掺杂少量N原子能够引起空穴载流子的增加，而晶格尺寸的改变可以忽略。因此，这个实验为研究纯碎的电子相关效应驱动下的MIT相变机制成为可能。 

　　利用北京同步辐射装置4B9B-光电子能谱实验站，该研究小组首次实现了VO₂薄膜的原位N原子掺杂，掺杂浓度范围为0~0.13，N掺杂VO₂薄膜电子结构的近边吸收精细结构（XANES）和同步辐射光电子能谱表征表明掺杂的N原子位于晶格O原子取代位。掺杂N原子注入空穴填充到VO₂ d_∥ 子带，引起V-V原子对相互作用的减弱和M1相能隙的降低。这两个方面电子结构的改变一致促进了VO₂相变温度的降低。这个工作不仅明确了电子相关效应在VO₂相变机制中的重要作用，也显示出同步辐射近边吸收精细结构和光电子能谱两种实验技术相结合在揭示低维材料电子结构和半导体物理研究方面是一种强有力而且独特的工具。该研究工作成果已经在美国化学会J. Phys. Chem. C 杂志（2014年5月份）发表。 

　　(a) 

　　(b)                                        (c) 

图1 (a)VO₂晶格中N掺杂模型和空穴在d_//子带的填充；(b)N K-边 XANES；(c)价带谱。　

　　发表文章： 

　　Wenhua Zhang, Kai Wang, Lele Fan, Lingyun Liu, Panpan Guo, Chongwen Zou, Jiaou Wang, Haijie Qian, Kurash Ibrahim, Wensheng Yan, Faqiang Xu, and Ziyu Wu, Hole Carriers Doping Effect on the Metal−Insulator Transition of N‑Incorporated Vanadium Dioxide Thin Films. J. Phys. Chem. C, 2014, 118,12837-12844.