于浦研究组在“电场调控下氢离子演化诱导的三氧化钨相变”方面取得进展

 

物理系于浦副教授带领的研究团队在“Advanced Materials”杂志在线发表了题为《电场调控下氢离子演化诱导的三氧化钨相变》(“Electric-Field Controlled Phase Transformation in WO3 Thin Films through Hydrogen Evolution”)的研究论文。该工作揭示了,离子液体调控三氧化钨绝缘体到金属的相变过程,是由氢离子在薄膜表面吸附和整体嵌入所主导的作用机理,同时进一步拓展了电场调控质子化效应的材料体系。

离子液体门电压调控物质相变的手段被广泛应用于许多材料,并且可以实现很多有趣的物理现象,比如绝缘体-金属相变、超导、室温铁磁等。然而对于正偏压下离子液体调控过渡金属氧化物相变的作用机理,即:静电效应、氧缺陷形成还是氢离子嵌入,却一直存在很大争议。尤其是电场作用下氢离子吸附或嵌入的过程,理论和实验上缺少相关的研究。于浦所带领的研究团队利用X射线衍射、二次离子质谱、原位输运测试等手段,结合理论计算,系统地研究了离子液体电场调控下WO3的绝缘体-金属相变过程。

在离子液体电场作用下,实验发现在1.5V小电压时WO3即出现了绝缘体到金属的相变,继续增加偏置电压,发现经3.5V阈值电压后,虽然载流子浓度随着电压增高一直增加,但金属态反而逐渐被抑制。通过原位的X射线衍射,发现对应阈值电压下WO3发生了结构膨胀,利用二次离子质谱测量发现了与结构膨胀相对应的氢离子的嵌入和析出。结合定量分析,排除了静电效应和氧缺陷的作用,指出了电场作用下氢离子吸附和嵌入对于WO3相变的决定性作用。更进一步的,通过使用含有重水(D2O)的离子液体,做同位素标记,证明了氢(氘)离子来源于离子液体中含有的微量水。同时,第一性原理计算得到了与实验相一致的结论。


 该工作提供了直接的有力的证据,解释了长期困惑和争论的离子液体调控WO3相变的机理。同时,继该团队在SrCoOx体系的工作后(Nature 2017, 546,124.),进一步拓展了人们对于离子液体通过质子化过程调控材料物性的认识。为这种新型的电化学调控方法,在新的不同材料领域的应用,提供了重要的启发和借鉴。

清华大学物理系于浦副教授为该文章的通讯作者。物理系博士生王猛和博士后沈胜春为该文章共同第一作者。复旦大学向红军教授和倪斤阳博士为该研究提供了理论计算支撑。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经费支持下完成。

文章链接  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703628/full