二氧化釩（VO2）是一種具有廣泛應(yīng)用前景的強關(guān)聯(lián)過渡金屬氧化物材料，最顯著的特征是在68℃時具有四到五個量級的絕緣-金屬相變性質(zhì)。VO2的各種光電功能特性均與其相變密切相關(guān)，然而其相對過高的相變溫度成為實際應(yīng)用的一大瓶頸問題。通過深入研究其相變微觀機制，探索有效的相變調(diào)控方法來降低相變溫度對推動其實際應(yīng)用具有重要意義。 氫原子由于其小的原子半徑能夠有效進入VO2晶格實現(xiàn)電子摻雜，達到調(diào)控相變的目的。利用傳統(tǒng)高溫貴金屬催化加氫的方法，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室鄒崇文（青促會會員）研究組與微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心江俊研究組在VO2薄膜中實現(xiàn)了從絕緣-金屬-絕緣的三階段依次相變，并揭示了加氫誘導(dǎo)的電子摻雜填充VO2導(dǎo)帶能級的機理（Phys. Rev. B 96, 2017,125130）。然而，傳統(tǒng)的氫化摻雜技術(shù)依賴于高耗能的溫度和壓力等條件，又需要昂貴的貴金屬催化劑，且氫化后的材料表面沉積的催化金屬還難以去除，這些不利因素成為制約VO2材料氫化相變調(diào)控和應(yīng)用的障礙。 近日，研究人員突破高溫貴金屬催化加氫來調(diào)控VO2相變的傳統(tǒng)方法，實現(xiàn)了利用金屬吸附驅(qū)動酸溶液的質(zhì)子摻雜進入VO2材料實現(xiàn)溫和條件下極低成本的材料加氫，發(fā)明了“點鐵成氫”技術(shù)。 酸溶液很容易腐蝕包括VO2在內(nèi)的大多數(shù)氧化物，因而在常溫常壓條件下酸液不能作為氫源用于氧化物材料的氫化處理。實驗中研究人員發(fā)現(xiàn)，將具有合適功函數(shù)的金屬顆粒和VO2薄膜接觸后放入酸溶液中，VO2薄膜不僅不會被酸液腐蝕，反而會迅速被氫化同時誘發(fā)相變。這種相變過程具有極其快速的擴散效應(yīng)，因而僅用極小的金屬顆粒（直徑1mm）就可以使直徑兩英寸的VO2外延薄膜抗腐蝕并金屬化，從而達到類似于“點石成金”的“點鐵成氫”效果。通過理論預(yù)測揭示了該現(xiàn)象背后的電子-質(zhì)子協(xié)同摻雜機理。當(dāng)?shù)凸瘮?shù)的金屬接觸高功函數(shù)的VO2時，電子會自發(fā)注入到VO2里，由于靜電誘導(dǎo)效果，酸液中的質(zhì)子會被拉入VO2，使得VO2金屬化并使得氧空位的形成能大大提高，從而能夠阻止酸液的腐蝕。在已經(jīng)金屬化的VO2基礎(chǔ)上，如果使用更低功函數(shù)的金屬如Al、Zn等，可以繼續(xù)注入更多的電子和質(zhì)子，從而使電子填充到新的價帶頂而形成新的絕緣態(tài)，實現(xiàn)從絕緣-金屬-絕緣的三階段依次相變。 該電子-質(zhì)子協(xié)同摻雜策略，通過簡單的將酸液、金屬顆粒、VO2接觸實現(xiàn)了“本征絕緣態(tài)-金屬態(tài)-新的絕緣態(tài)”三態(tài)調(diào)節(jié)，不僅可發(fā)展為一種兼容常規(guī)環(huán)境的摻雜方式，也能對研究電子協(xié)同作用產(chǎn)生積極的影響。對材料的改性調(diào)控一直是物理、化學(xué)和材料科學(xué)研究的重點，其中摻雜是最行之有效的方法之一�；陔娮�-質(zhì)子協(xié)同摻雜原理，研究人員將酸液換成鋰離子溶液，拓展成電子-離子協(xié)同摻雜策略，同樣實現(xiàn)了鋰離子摻雜并調(diào)控了VO2的相變行為。進一步還發(fā)現(xiàn)，該策略可以實現(xiàn)更多氧化物材料，例如二氧化鈦（TiO2）的摻雜加氫，驗證了這一摻雜技術(shù)的普適性。相對傳統(tǒng)的摻雜技術(shù)往往會使用到高溫、高壓以及貴金屬的催化，該研究所發(fā)展的一種能更好兼容常規(guī)溫和環(huán)境的摻雜方式，且操作簡便成本極為低廉，對開發(fā)新型的功能材料與器件和促進基礎(chǔ)理論的發(fā)展都有重要意義。 相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上，博士研究生陳宇糧、訪問學(xué)者王趙武為共同第一作者，副研究員鄒崇文（青促會會員）、教授江俊為通訊作者。該研究得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃青年科學(xué)家專題項目、國家自然科學(xué)基金委、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金和中科院青年創(chuàng)新促進會等的資助。 
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