高压调控外延VO₂薄膜相变特性与异常声子行为的新发现

近日，四川大学原子与分子物理研究所雷力研究员团队在Inorganic Chemistry上在线发表了题为 “Anomalous Phonon Evolution via Out-of-Plane Strain Engineering in van der Waals Epitaxial VO₂ Film”的最新研究成果。该工作通过原子与分子物理研究所雷力研究员团队与材料与科学工程学施奇武教授课题组的合作研究获得，原子与分子物理研究所2023级博士生常雪为论文第一作者，四川大学雷力研究员与施奇武教授为共同通讯作者。

作为一种典型的强关联材料，二氧化钒（VO₂）因其3d¹电子结构在近室温下表现出无法用传统能带理论解释的绝缘相行为。VO₂在340K附近发生金属-绝缘体相变（MIT），同时伴随晶体结构由从金红石结构（R）向单斜相（M1）转变，这一过程中V–V二聚体沿cR轴形成。作为一类新兴的智能材料，VO₂在超快开关、光电探测器、应变传感器、执行器、智能窗、神经网络架构与存储器件等领域展现出广阔的应用前景，因而受到日益广泛的关注。VO₂中电荷、晶格、轨道和自旋等多个自由度之间的强耦合，虽引发出丰富的物理现象，但也使得其微观机理仍不甚清晰。

以往研究大多通过超快泵浦–探测、X射线衍射等实验手段，结合电子注入与晶格调控等策略，致力于揭示VO₂电子与晶格自由度的演化行为。界面应变工程是调控VO₂薄膜相变行为的通用策略，但由于施加面外应变存在技术挑战，大多数研究仅聚焦于面内应变（外延应变），而忽略了平面外应变以及 VO₂ 薄膜与衬底之间的相互作用。

针对这一现状，本研究采用基于金刚石对顶砧的高压实验方法，系统研究了外延VO₂薄膜在较强面外应变下的金属化相变行为与声子响应特性。通过在柔性云母衬底上制备范德瓦尔斯外延VO₂薄膜（as-grown VO₂），并结合剥离技术获得自支撑薄膜（f-VO₂），揭示了面外压缩条件下衬底束缚对VO₂相变的影响。研究结果表明，高压下原位生长VO₂薄膜的相变阈值比自支撑VO₂薄膜高出62%。值得注意的是，在原位生长VO₂薄膜中于22.2 GPa附近观察到一类异常声子模式（拉曼位移约为207 cm⁻¹），该模式随压力增大逐渐蓝移，在更高压力下（完全金属化）消失，而在无衬底束缚的自支撑VO₂薄膜中未出现该现象。该异常声子行为归因于高压下增强的衬底束缚（层间相互作用）与面外声子之间的耦合效应。本研究为通过异质结构工程（层间相互作用调控）探索氧化物薄膜中的复杂声子行为提供了新的可能。

感谢国家自然科学基金NSFC（Grant Nos.12374013、U2030107、 U2230128）以及四川大学“青苗计划”（Grant Nos. 2020SCUNL107）中对本项目的支持。

图文补充

文章链接： https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.inorgchem.5c01802