SCMs：外延异质界面金属-绝缘体转变行为的可逆光学调控

来源：中国科学材料

由于在光学和电子器件中的潜在应用，强关联电子材料奇异特性的光学调控研究引起了人们的广泛关注。近日，中国科学技术大学张汇教授、杨远俊副教授和中国科学院大学高琛教授等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文，设计和演示了由关联电子氧化物外延薄膜二氧化钒（VO2）和0.05 wt% Nb掺杂的导电TiO2单晶构成的垂直异质结，其在纳米尺度异质界面上的金属-绝缘体转变（metal-insulator transition，MIT）可通过可见光进行有效调控。

图1 器件的构造和异质界面上的金属-绝缘体转变行为。

研究发现该异质结MIT幅度从黑暗状态的~350倍降低到光照状态下的~7倍，并且以幂指数规律依赖于光功率密度。通过打开和关闭光照，能够可逆地、同步地调控异质结的高、低电阻态，且该结电阻的光学调控力度也与光功率密度成幂指数依赖。在低于MIT温度下，当光照功率密度为65.6 mW cm−2时，其开/关比达到320倍；当升高温度时，VO2薄膜转变为金属态时，结电阻的光学调控力度仅有~1倍的变化。

上述研究结果归因于异质结势垒高度的降低（净减少~15 meV）和光伏效应诱导的异质界面处VO2的金属化。在低温下，可见光光照激发Nb:TiO2深缺陷能级电子跃迁，诱导异质界面绝缘相VO2金属化；而在MIT温度以上，异质结转变为肖特基型结，光照对金属相VO2能带结构的调控减弱，进而导致结电阻的调控力度大幅降低。

该工作表明，非接触式的光学手段可以有效操纵关联电子材料VO2的MIT行为，有望在非致冷型的光电检测和光电开关中得到广泛应用。

相关结果最近发表于Science China Materials, 2020, 10.1007/s40843-020-1576-3。