物理系于浦研究组在《自然》发文报道在电场诱导下的双离子调控可逆结构相变研究中的突破性进展

 

6月1日,清华大学物理系于浦副教授带领的研究团队在《自然》(“Nature”)杂志在线发表了题为《选择性双离子开关电场控制的三态相变》(”Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch”)的研究论文。该工作首次在单一材料中实现了双离子的电场可控结构相变,并且揭示了基于三态相变过程中光、电和磁学特性调控的器件应用。《自然》同期发表题为《凝聚态物理:功能材料的转瞬之间》(“Condensed-matter physics: Functional materials at the flick of a switch”)的新闻评述,对这一工作做出高度评价。

电场控制离子导致的结构相变在物理及材料科学中具有重要意义,并被广泛应用于电池、智能玻璃、燃料电池等应用领域。然而到目前为止,这些调控只依赖于O2-, H+ 和Li+等单离子的调控,而基于选择性双离子(如O2-和H+)的电场控制相变尚未实现。通过构思和优化设计,于浦所带领的研究团队采用离子液体电场调控的方法,在模型体系氧化物SrCoO2.5结构中首次实现了电场下的双离子(O2-离子和H+离子)的可逆调控,并伴随着SrCoO2.5与SrCoO3-δ以及以前尚未发现的新相HSrCoO2.5之间的三相可逆结构相变。值得指出的是,传统上研究人员通常借助外加压力或者材料生长过程的化学掺杂等调控手段实现新型物相及新颖物性的设计。而该工作中的电场控制下的离子插入和析出及其所对应的物相转变,为材料的物性调控提供了一类全新的手段。该项发现可以被广泛推广到其它一系列材料体系中,从而孕育出大量的新奇结构相变和丰富功能特性。

 

 

图1:通过氧离子和氢离子的电场调控,可以实现SrCoO3, SrCoO2.5和HSrCoO2.5之间的可逆相变。

 

同时,由于调控过程中三相在可见光和红外光区具有迥然不同的光学吸收特性,该工作通过电场对于相变的调控实现了基于双离子调控的双波段(可见光和红外)三态电致色变效应。可见光可以实现环境亮暗的调节;而红外光则具有显著热效应,可以实现环境凉暖的调节。通过三相调节可以实现全透、进红外光挡可见光以及全部挡光等三种透光状态,而这样的调控将对应着广泛的应用前景,其中一个例子就是智能玻璃。如可以根据所需场景,通过电压调节建筑物玻璃不同波段的透射率,从而达到有效的节能效果。具体来说,冬天可以在不妨碍可见光波段明暗调节需求的前提下提高红外波段的透射率增加室内温度。反之,夏天可以降低红外波段的透射率来减小外界带来的辐射升温,同时不妨碍可见光波段明暗的调节需求。更重要的是这是一种具有“非挥发”特性的相变,即撤掉电压后,其相变后的结构和性能会得到长久的保持,这就会大大减少维持相变所需的能源消耗。

 

图2:样品三相相变过程所对应的(上)颜色及透光度和(左下)透射光谱的变化以及(右下)磁电耦合效应。

 

此外,这三个相还拥有完全不同的电学和磁学基态,即显示铁磁金属性的SrCoO3,反铁磁绝缘性的SrCoO2.5以及弱铁磁绝缘性的HSrCoO2.5。应用中,可以通过电场控制这些相之间的切换实现多磁态之间的电场调控。通常情况下,材料磁态的调控需要借助外加磁场实现,需要很大的能耗。而电场对于磁性的调控,既所谓的磁电耦合效应,则能显著降低能耗,从而在新型自旋电子学器件中具有广泛的应用前景。

 

 

图3,研究团队部分成员在实验室合影。(从左到右:李卓璐,王宇佳,李好博,王猛,吴健,于浦,鲁年鹏,郭景文,颜明哲,杨树圳)

 

       清华大学物理系于浦副教授和吴健教授为文章的共同通讯作者,其中于浦副教授负责了该项目的构思、设计以及实验的主要部分,吴健教授负责了本文的理论模型部分。博士后鲁年鹏为第一作者,张鹏飞博士为该项研究提供了理论支持。材料学院南策文院士,中科院物理所谷林研究员和张庆华博士负责了材料的透射电镜测量。其他合作者还包括物理系周树云教授和张定助理教授,英国杜伦大学的何清教授,美国劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的杨万里博士和Elke Arenholz博士以及日本理化学研究所的Yoshinori Tokura教授。该课题是在科技部、自然科学基金委、清华大学自主科研计划、清华大学低维量子物理国家重点实验室以及未来芯片技术高精尖创新中心经费支持下完成。

       文章全文链接: https://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature22389