在液氦温度下，表面掺杂的VO?纳米线中的金属-绝缘体转变

《Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures》：Metal-insulator transition in surface-doped VO 2 nanowires at liquid helium temperature

表面掺杂金纳米颗粒的VO?纳米线在液氦温度下实现了电场诱导的金属-绝缘体转变，揭示了非平衡电场效应对MIT的调控机制并排除了焦耳热影响。

　　

Seok Hwang Yun|Jeong Min Baik|Jong E. Han|Muhammad Atif Khan|Sun Jin Yun|Gil-Ho Kim

韩国水原成均馆大学电气与计算机工程系，16419

摘要

在VO₂纳米线器件中，由于电场诱导的非平衡效应，观察到了金属-绝缘体转变（MIT）。这种异常低的转变温度是通过用金纳米粒子（NPs）对VO₂纳米线进行表面掺杂实现的。金纳米粒子的存在可能促进了渗透性导电路径的形成，增强了电子的非均匀性，或者改变了晶格-电子耦合。这些效应共同作用，使得在较低的电场下实现了更平滑的MIT。我们使用了一个经验模型来区分焦耳热和电场的贡献，从而证实了非平衡电场效应的主导作用。反复的电压扫描进一步揭示了迟滞现象和电流变化，为了解由纳米粒子修饰引入的载流子动力学和相关电子行为提供了见解。这些发现加深了我们对VO₂中MIT机制的理解，并强调了表面修饰在低温下调节相变中的作用。

引言

金属-绝缘体转变（MIT）是凝聚态物理学中一个关键的、仍有争议的原理，目前尚未完全解释所有涉及MIT现象的变量。强关联材料在施加外部刺激时会发生从绝缘体到金属的转变[1,2]。通常，这种突然的MIT可以通过多种复杂且同时发生的机制来解释，例如Mott转变和Peierls转变，这些转变分别依赖于电荷载流子和声子的临界密度[3,4]。因此，对于像二氧化钒（VO₂）这样的材料，尽管已经通过各种技术（如应变诱导转变[5]、超快光谱[6]等）进行了研究，但其诱导转变的确切机制仍然缺乏了解[7]。因此，研究在液氦温度下给定材料状态和外部电场作用下的载流子传输方式以及MIT行为至关重要。

VO₂中的金属-绝缘体转变（MIT）已被广泛研究，并且已知其对一系列外部和内部参数非常敏感，这些参数会改变其电子结构和晶格配置。应变通过改变V-V二聚化和轨道重叠来调节MIT，从而导致转变温度的显著变化以及迟滞行为的改变[[8], [9], [10]]。拉伸和压缩应变都被证明可以稳定不同的结构相，并改变竞争电子关联之间的平衡。薄膜厚度是另一个影响MIT的关键因素，特别是在低维系统中，由于尺寸效应和表面或界面的增强作用，减薄的厚度可以抑制、拓宽甚至消除突然的转变[[11], [12], [13]]。随着厚度的减小，应变松弛、缺陷密度和载流子限制会强烈影响MIT特性。掺杂元素的类型和浓度也对MIT有显著影响。用W、Mo、Ti、Cr或Nb等元素进行替代掺杂可以通过改变载流子密度、晶格畸变和电子关联强度来降低或提高转变温度[[14], [15], [16], [17]]。特别是，电子给体掺杂剂被认为可以在较低温度下抑制绝缘相并稳定金属行为。此外，包括离子辐照和电子束曝光在内的辐照效应已被证明可以诱导无序、氧空位和缺陷状态，这些都会显著影响MIT[[18], [19], [20]]。这种辐照诱导的缺陷可以局部改变电子状态，降低转变温度，并改变MIT的锐度和可逆性。这些因素共同突显了晶格、电子和缺陷驱动机制在VO₂中MIT控制中的复杂相互作用。了解这些已知参数如何影响转变对于探索替代途径（如电场和磁场驱动的畴动态调节）提供了必要的背景。

VO₂纳米线（NWs）由于其维度降低、结构均匀性高以及对外部刺激的强敏感性，为研究金属-绝缘体转变（MIT）提供了一个有效的平台。纳米线的受限几何形状促进了转变过程中离散金属相和绝缘相的形成，使得畴的成核、生长和崩溃可以直接影响电传输。因此，畴分布的微妙变化可以很容易地反映在电流-电压测量中。VO₂纳米线的高表面积与体积比使得通过表面和界面效应（如电荷转移和来自吸附纳米粒子的载流子注入）来高效调节局部电子结构成为可能。这使得纳米线特别适合在极端条件下（包括低温下，热激活最小）稳定和调节MIT。此外，纳米线的小截面尺寸允许在相对较低的施加电压下实现较大的电场，从而最小化焦耳热并促进场驱动转变机制的探索。这些特性使得VO₂纳米线成为一个高度敏感且可控的系统，用于探究电子关联、畴演化和外部电场之间的相互作用，这是本研究的重点。

各种掺杂方法（如液态门和高k介电门诱导的掺杂）已经建立了载流子浓度与转变温度之间的关联[3,21]。液态门方法在实际应用中难以实施，尤其是在液氦温度下，因此需要一种更稳健和实用的方法来研究VO₂纳米线的物理和传输特性。早期工作已经报道了在低温下各种基于钒氧化物的薄膜的转变，以研究场诱导的转变及其机制，最低可达到VO₂的77 K和V₂O₃薄膜的10 K[[22], [23], [24]]。然而，单晶纳米线在结构和化学上都是均匀的，并且机械上具有耐用性，因此可以作为研究薄膜中复杂转变动态的更好模型，薄膜中还存在非均匀化学计量比、晶界、残余应力等问题[24]。

在这项工作中，我们使用了一种可控且高效的交流介电泳（DEP）技术[25,26]，用高密度的金纳米粒子（Au-NPs）对VO₂纳米线进行了掺杂。在这种方法中，可以通过改变施加电压、频率和时间等DEP参数来优化Au-NPs的高密度附着条件。在之前的工作中，这些参数已经被优化用于研究VO₂纳米线导电性的变化[26]。通过掺杂纳米线，我们能够在4.2 K时诱导VO₂纳米线的MIT。本研究的主要重点是VO₂纳米线的MIT行为和其他相关特性，并通过4.2 K液氦温度下的电场诱导转变来解释它们。

结果与讨论

本研究中使用的VO₂纳米线是通过物理气相沉积技术[27]生长的，器件是通过典型的光刻和剥离技术制造的，其中首先使用异丙醇中的温和超声处理将生长的VO₂纳米线从SiO₂基底上分离出来。然后，使用微量移液管将几微升的纳米线溶液分散到另一个干净的300 nm SiO₂/Si基底上。通过显微镜观察后，选择了一条更长更细的纳米线

结论

总之，我们研究了在低温下表面掺杂的VO₂纳米线中的电场诱导转变。金纳米粒子（Au NPs）的附着增强了VO₂纳米线的导电性，使得在液氦温度下观察到MIT。这项研究清楚地显示了4.2 K时JH诱导的MIT的局限性，并指出了表面掺杂VO₂纳米线中非热载流子注入驱动的MIT的贡献。此外，在负偏压下观察到了多步骤转变的出现

CRediT作者贡献声明

Seok Hwang Yun：撰写——原始草稿，可视化，研究，正式分析，数据管理。Jeong Min Baik：撰写——原始草稿，验证，研究，正式分析。Jong E. Han：验证，研究，数据管理。Muhammad Atif Khan：撰写——审阅与编辑，研究，正式分析。Sun Jin Yun：撰写——审阅与编辑，正式分析，概念化。Gil-Ho Kim：撰写——审阅与编辑，监督，资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

这项工作得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的资助（授权号：RS-2024–00346493和RS-2023–00221186）。