清華大學于浦團隊Nature：在電場誘導下的雙離子調控可逆結構相變研究中取得突破性進展

【成果簡介】

6月1日，清華大學物理系于浦副教授帶領的研究團隊在Nature雜志在線發表了題為“Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch”的研究論文。該工作首次在單一材料中實現了雙離子的電場可控結構相變，并且揭示了基于三態相變過程中光、電和磁學特性調控的器件應用。Nature同期發表題為“ondensed-matter physics: Functional materials at the flick of a switch”的新聞評述，對這一工作做出高度評價。

【圖文導讀】

圖1?通過氧離子和氫離子的電場調控，可以實現SrCoO₃, SrCoO_2.5和HSrCoO_2.5之間的可逆相變

a，b）離子液體可用于誘導將O^2-（a）或H⁺（b）離子插入薄膜材料中

c）通過電場控制的SrCoO_2.5的可逆相變

d）鈣鈦礦SrCoO_3-δ薄膜的X射線衍射θ-2θ掃描

?e）圍繞LSAT（002）峰的原位X射線衍射結果

圖2?樣品三相相變過程所對應的顏色及透光度和透射光譜的變化

a）HSRCoO_2.5，SrCoO_2.5和SrCoO_3-δ薄膜的光學照片，每個50nm厚

b）三相光透射光譜

c）（α?ω）²對于三相吸收光譜的?ω圖

d）三相電阻率ρ的溫度依賴性

【研究內容】

電場控制離子導致的結構相變在物理及材料科學中具有重要意義，并被廣泛應用于電池、智能玻璃、燃料電池等應用領域。然而到目前為止，這些調控只依賴于O^2-, H⁺ 和Li⁺等單離子的調控，而基于選擇性雙離子（如O^2-和H⁺）的電場控制相變尚未實現。通過構思和優化設計，于浦所帶領的研究團隊采用離子液體電場調控的方法，在模型體系氧化物SrCoO_2.5結構中首次實現了電場下的雙離子（O^2-離子和H⁺離子）的可逆調控，并伴隨著SrCoO_2.5與SrCoO_3-δ以及以前尚未發現的新相HSrCoO_2.5之間的三相可逆結構相變。值得指出的是，傳統上研究人員通常借助外加壓力或者材料生長過程的化學摻雜等調控手段實現新型物相及新穎物性的設計。而該工作中的電場控制下的離子插入和析出及其所對應的物相轉變，為材料的物性調控提供了一類全新的手段。該項發現可以被廣泛推廣到其它一系列材料體系中，從而孕育出大量的新奇結構相變和豐富功能特性。

同時，由于調控過程中三相在可見光和紅外光區具有迥然不同的光學吸收特性，該工作通過電場對于相變的調控實現了基于雙離子調控的雙波段（可見光和紅外）三態電致色變效應。可見光可以實現環境亮暗的調節；而紅外光則具有顯著熱效應，可以實現環境涼暖的調節。通過三相調節可以實現全透、進紅外光擋可見光以及全部擋光等三種透光狀態，而這樣的調控將對應著廣泛的應用前景，其中一個例子就是智能玻璃。如可以根據所需場景，通過電壓調節建筑物玻璃不同波段的透射率，從而達到有效的節能效果。具體來說，冬天可以在不妨礙可見光波段明暗調節需求的前提下提高紅外波段的透射率增加室內溫度。反之，夏天可以降低紅外波段的透射率來減小外界帶來的輻射升溫，同時不妨礙可見光波段明暗的調節需求。更重要的是這是一種具有“非揮發”特性的相變，即撤掉電壓后，其相變后的結構和性能會得到長久的保持，這就會大大減少維持相變所需的能源消耗。

此外，這三個相還擁有完全不同的電學和磁學基態，即顯示鐵磁金屬性的SrCoO_3-δ，反鐵磁絕緣性的SrCoO_2.5以及弱鐵磁絕緣性的HSrCoO_2.5。應用中，可以通過電場控制這些相之間的切換實現多磁態之間的電場調控。通常情況下，材料磁態的調控需要借助外加磁場實現，需要很大的能耗。而電場對于磁性的調控，既所謂的磁電耦合效應，則能顯著降低能耗，從而在新型自旋電子學器件中具有廣泛的應用前景。

清華大學物理系于浦副教授和吳健教授為文章的共同通訊作者，其中于浦副教授負責了該項目的構思、設計以及實驗的主要部分，吳健教授負責了本文的理論模型部分。博士后魯年鵬為第一作者，張鵬飛博士為該項研究提供了理論支持。材料學院南策文院士，中科院物理所谷林研究員和張慶華博士負責了材料的透射電鏡測量。其他合作者還包括物理系周樹云教授和張定助理教授，英國杜倫大學的何清教授，美國勞倫斯伯克利國家實驗室先進光源的楊萬里博士和Elke Arenholz博士以及日本理化學研究所的Yoshinori Tokura教授。該課題是在科技部、自然科學基金委、清華大學自主科研計劃、清華大學低維量子物理國家重點實驗室以及未來芯片技術高精尖創新中心經費支持下完成。

原文鏈接：http://www.tsinghua.edu.cn/publish/phy/10552/2017/20170531095938353900451/20170531095938353900451_.html

文獻鏈接： Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch（Nature,2017,DOI:10.1038/nature22389)

本文由材料人編輯部Allen編輯，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷。