原位XAFS研究VO2金属-绝缘体相变温度的掺杂调控机理

Vanadium dioxide (VO2) is a model thermal-induced metal-insulator transition (MIT) material in strong-correlated system, which shows a special feature in mediating the extern infrared light across the MIT critical temperature (TC). It is well known that the TC can be significantly changed by doping, making doped-VO2 system widely applicable in ‘smart windows’ used energy saving areas. Therefore, understanding the physical mechanism of doping induced VO2 MIT is crucial to realize the effective doping to reach the goal of the modification and optimization on VO2. To address this issue, the PI will build an in situ synchrotron radiation XAFS spectroscopy combined high- and low-temperature instrument, and capable of doing XAFS in transmission and fluorescence modes, based on National Synchrotron Radiation Laboratory, and to perform a systematic in situ study on the evolutions of the local structures of doped and V atoms during the W and Cr doped-VO2 MIT triggerd by temperature. The aim of this proposal is to reveal the intrinsic local structures around doped atom as well as its role played in the transition from monoclinic to rutile phases of VO2. Combining the first-principle calculations, the PI will deeply explore the mechanism of doping-mediated TC of VO2 MIT. It is expected that these achievements can provide experimental and theoretical strategies for designing and optimizing the photo- and electric properties of VO2 from the atomic and electronic level.

二氧化钒(VO2)是强关联体系中一类典型的温感金属-绝缘体相变材料，并在临近相变温度点附近表现出敏感的对外界红外线进行感知的特性。普遍报道发现通过掺杂可以显著的调整其相变温度，使得掺杂VO2在节能‘智能窗’等方面有广阔的应用前景。为了实现对VO2有效掺杂以达到对其进行优化改性的目的，需要深入了解掺杂诱导VO2产生金属-绝缘体相变的物理本质。本项目拟基于国家同步辐射大科学装置，建立高、低温一体的、可进行透射和荧光模式测量的同步辐射XAFS谱学实验技术，原位研究W和Cr掺杂VO2体系在温致金属-绝缘体相变过程中的掺杂原子和V原子的局域结构的演变规律，揭示掺杂原子的本征局域结构以及在基质晶格由单斜向四方结构转变过程中所扮演的角色，结合第一性原理计算，深入探讨VO2相变温度的掺杂调控机理，为在原子和电子层次上设计和优化VO2的光学、电学性质提供实验和理论思路。

二氧化钒(VO2)是强关联体系中一类典型的温感金属-绝缘体相变材料，并在临近相变温度点附近表现出敏感的对外界红外线进行感知的特性。普遍报道发现通过掺杂可以显著的调整其相变温度，使得掺杂VO2在节能‘智能窗’等方面有广阔的应用前景。为了实现对VO2有效掺杂以达到对其进行优化改性的目的，需要深入了解掺杂诱导VO2产生金属-绝缘体相变的物理本质。本项目基于国家同步辐射大科学装置，建立了高、低温一体的、可进行透射和荧光模式测量的同步辐射XAFS谱学实验技术，利用原位同步辐射XAFS技术对W和Cr掺杂VO2体系在温致金属-绝缘体相变过程中的掺杂原子和V原子的局域结构的演变规律开展了原位研究。利用原位XAFS技术并结合第一性原理计算，揭示了超薄VO2(M)纳米片的表面结构存在较大的扭曲，结合第一性原理计算表明所得到的VO2(M)超薄纳米片表现出特殊的半金属性，为拓展VO2(M)在新型自旋电子纳米器件的应用提供了实验理论基础；利用变温原位XAFS实验装置研究了高纯VS2材料在电荷密度波相变临界温度点附近原子结构发生明显变化而出现V的三聚体，从而调制了电荷态密度的周期分布。本工作为理解VS2及其他过渡金属硫属化合物电荷密度波相变材料的电子-晶格的强关联性提供了实验和理论依据。利用建立的变温原位XAFS谱学技术，在原子水平上观察到Cu@Au核壳纳米材料的热致扩散过程中外围Au原子往内部Cu核的单一取向扩散行为，提出金属间化合物的结构稳定性和纳米尺寸效应协同作用诱导单一扩散过程，这个工作首次从原子尺度上揭示了原子间的单向扩散行为，提出的核壳结构双金属间的单向扩散机制为核壳结构的合成和应用提供了简单易行的调控手段。这些研究结果为深入探讨VO2相变温度的掺杂调控机理，为在原子和电子层次上设计和优化VO2的光学、电学性质提供了实验和理论思路。