原位时间分辨XAFS谱学信息指导钒氧化合物金属绝缘体相变材料的结构设计

申请人以钒氧化合物金属绝缘体相变材料体系为主要研究对象，聚焦相变过程中智能红外调控性能应用，以原位时间分辨XAFS技术探索和总结XAFS谱学的局域结构测量数据来揭示晶态钒氧化合物中晶体结构与相变温度、红外调控性能关系，从而在原位时间分辨XAFS技术测量的局域结构特征指导下深入开展从分子层次到结构单元层次下钒氧化合物金属绝缘体相变材料的理论模拟与化合物设计、结构性能表征的研究；并利用其规律进一步拓展相变材料体系，实现新结构或新物相钒氧化合物金属绝缘体相变材料的结构设计和化学合成；以实现具有相变温度低且室温可见光透过率高的金属绝缘体相变材料为目标,研制出高性能的钒氧化合物智能红外调控器件。本项目将充分发挥和强化申请人在固体化学、固体物理、材料科学以及XAFS谱学等交叉领域中的研究特色和优势，可望研制出具有原始创新和自主知识产权的具有智能红外调控性能以达到智能节能应用的原型器件。

在本项目实施中，我们在合肥同步辐射国家实验室XAFS实验站搭建了原位变温装置，建立了原位研究相变机制的平台，利用同步辐射变温XAFS方法，原位研究了VO2的金属-绝缘体相变机理，首次展示了VO2在相变温度点附近的原子结构和电子结构的变化，从原子结构层次提出晶体结构转变和电子关联性协同作用促使VO2 产生金属-绝缘体相变的微观机理。对精细浓度控制的钨掺杂二氧化钒系列样品的钨和钒原子的局域原子和电子结构进行了深入研究，首次发现掺入的W原子以相变核的形式存在于VO2晶格中；并随着含量的升高与体相VO2经历应变、扩张和稳定的动力学过程，同时利用红外光谱实现了鉴定二氧化钒体系中掺杂引起的结构扭曲。在利用近边X射线吸收精细结构谱指导功能纳米材料中的合成方法方面取得了重要系列进展，并首次实现了原子尺度厚度的单层VO2(B)结构的制备，并用XAFS解析其精细结构。并首次实现了类石墨烯无机单层结构，用XAFS给出了其精细结构，正是这种结构扭曲使得其单层结构的态密度在其导带底有明显增强，这无疑有利于其获得更高的载流子迁移率，进而提高其光电性能和光电化学性能。以上有关工作超额完成项目任务书的研究内容，共在Nature Commun，JACS， Angew Chem， Adv. Mater.， Scientific Reports等国际顶级刊物在内的SCI论文30篇。受邀为Energy & Environmental Science撰写综述和展望文章,。题为“Promising Vanadium Oxides Nanostructures: From Energy Storage to Energy Saving”，其中我们系统地总结了通过调控晶体结构和形貌特点实现钒氧化合物纳米结构的构建来推动有效能源利用的手段，包括从锂离子电池储能电极材料到智能红外调控中的应用，我们还系统阐述了钒氧化合物在能源存储和有效能源利用领域应用的挑战和展望。由于以上在钒氧化物材料方面所取得的突出的进展，我们应邀为Adv. Mater.撰写名为“New Vanadium Oxide Nanostructures: Controlled Synthesis and Their Smart Electrical Switching Properties.”的Research News，得到了审稿人的高度评价。