在強關(guān)聯(lián)電子體系中，電子自旋、電荷、晶格與軌道之間的相互作用產(chǎn)生了豐富多樣的相結(jié)構(gòu)。這些相關(guān)相的共存及競爭可能產(chǎn)生在均勻體系中無法預測的新奇物理現(xiàn)象,如高溫超導、巨磁阻效應和金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變等。近年來，對強關(guān)聯(lián)材料的精準相工程（相分離、選擇性相穩(wěn)定與相競爭）已成為量子材料領(lǐng)域的重要研究方向。
二氧化釩（VO2）是一種經(jīng)典的強關(guān)聯(lián)材料，因其在68攝氏度左右的金屬-絕緣體相變與晶格轉(zhuǎn)變,而被廣泛用于多種智能器件中。隨著氧含量的變化，VO2在室溫可呈現(xiàn)為四種能量相似的且可互相轉(zhuǎn)化的相態(tài)結(jié)構(gòu)，分別是單斜M1相、三斜T相、單斜M2相與四方R相，這種特性使VO2成為研究強關(guān)聯(lián)材料相工程策略的理想平臺。然而，如何在VO2晶格中實現(xiàn)空間分辨的氧含量控制以達成精準的相工程，仍然是一個難題。
近日，清華大學的劉鍇教授團隊與南方科技大學的程春教授團隊合作發(fā)現(xiàn)，在液相輔助的單晶VO2生長過程中，提升反應環(huán)境中的氧分壓反而能夠減少富氧VO2相的生成。通過研究這一反?，F(xiàn)象，揭示了液態(tài)前驅(qū)體五氧化二釩（V2O5）在生長過程中對VO2氧含量及相結(jié)構(gòu)的重要調(diào)制作用：在生長過程中，液態(tài)V2O5通過隔絕VO2與反應氛圍有效穩(wěn)定了符合化學計量的M1相VO2，而同時其脫氧反應增加了環(huán)境中的氧分壓致使未被液體包裹被氧化為富氧的T相或M2相。 作者發(fā)現(xiàn)液態(tài)V2O5充足的區(qū)域通常產(chǎn)生具有適當化學計量比的M1相，而液體匱乏的區(qū)域則被富氧的T或M2相占據(jù)。所以，作者通過調(diào)節(jié)V2O5的用量以及使用具有不同表面浸潤性的襯底在反應中有效控制液態(tài)前驅(qū)體尺寸，實現(xiàn)了對不同VO2相態(tài)結(jié)構(gòu)的室溫選擇性穩(wěn)定。 作者通過觀測V2O5前驅(qū)體在高氧壓條件下的演化與反應過程，發(fā)現(xiàn)了液態(tài)V2O5對氧化還原平衡的調(diào)制作用：由于環(huán)境中的氧分壓過高，在液態(tài)V2O5充足的中央?yún)^(qū)域，V2O5的脫氧反應被抑制，而液體匱乏的邊緣區(qū)域率先開始脫氧；隨著反應時間的延長，中央?yún)^(qū)的反應平衡開始向V2O5的脫氧方向移動，釋放氧氣進入反應氛圍并導致邊緣區(qū)域氧分壓增加；同時，在邊緣區(qū)域，由于缺乏液態(tài)V2O5，平衡向反方向(VO2的氧化方向)移動。 由于液體匱乏區(qū)中液態(tài)V2O5的不均勻分布，上述液態(tài)前驅(qū)體誘導的氧化還原反應也可以在單根VO2線內(nèi)引入空間氧梯度，有效調(diào)控了單根VO2線的相疇結(jié)構(gòu)與相變過程，豐富了單晶VO2的變形模式，具體包括軸向伸縮變形、面內(nèi)彎曲、面外彎曲以及雙軸彎曲（扭轉(zhuǎn)變形），進一步拓寬了VO2驅(qū)動器的應用范圍。 這項工作揭示了液態(tài)前驅(qū)體調(diào)制的氧化還原反應機制，可以推進 VO2 和其他涉及類似生長過程的強關(guān)聯(lián)氧化物材料的化學計量控制或相工程的相關(guān)研究。 論文信息 Liquid Precursor-Guided Phase Engineering of Single-Crystal VO2 Beams Run Shi, Yonghuang Wu, Zeqin Xin, Jing Guo, Zonglin Li, Bochen Zhao, Ruixuan Peng, Chenyu Li, Enze Wang, Bolun Wang, Xiaolong Zhang, Prof. Chun Cheng, Prof. Kai Liu 文章的第一作者是清華大學博士后石潤博士。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202301421
