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《北京工业大学》 2017年
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二氧化钒纳米线金属绝缘体转变及其调控原位透射电子显微学研究

张振华  
【摘要】:二氧化钒(VO_2)因其接近室温的金属-绝缘体转变而得到广泛的研究。转变前后,二氧化钒的电学、光学性质和体积会发生变化。本论文利用先进电子显微学研究手段,围绕二氧化钒的金属-绝缘体转变中的关键性难题,金属-绝缘体转变的转变的机理和相变行为的调控两方面,进行了深入地研究。制备合成了二氧化钒微/纳米线,探索了电触发二氧化钒发生金属-绝缘体转变的机理,揭示金属绝缘体转变过程中电子就结构转变先于原子结构转变的解耦行为,研究了应变工程如何改变二氧化钒的相变行为,锂化稳定了二氧化钒的亚稳相M_2相,开发了利用电子束调控二氧化钒金属-绝缘体转变的新颖方法,完成了“制备-研究”全过程的研究工作。主要的研究和成果如下:(1)运用物理气相输运法制备合成了二氧化钒微/纳米线,并在此基础上搭建起一系列适合不同尺度下(光镜、透射电镜)观察的原位加热、加电实验平台。(2)探索了二氧化钒金属-绝缘体在外场作用下转变的机理。发现当有电流通过纳米线时可以触发二氧化钒发生金属-绝缘体转变,在转变过程中观察到二氧化钒纳米线的电子结构转变先于相结构转变发生;当将纳米线置于电场当中而无电流通过时,纳米线在较高的电场强度(约10~7 V/m)下未发生相变,观察到纳米线在电场作用下发生了正负电荷中心的分离,据此推断,在电触发二氧化钒金属绝缘体相变的过程中,电流的焦耳热起了主要作用。(3)研究了应变工程如何改变二氧化钒的相变行为。通过弯曲纳米线,提供了沿纳米线轴向的拉应变和压应变,以此来改变纳米线发生金属-绝缘体转变的相变温度、相变发生时金属相与绝缘体的畴结构以及纳米线的电输运性能。(4)通过透射电镜下二氧化钒纳米线的原位锂化稳定了二氧化钒的M_2相,为稳定M_2相的新方法。锂离子进入二氧化钒晶格通道中引起的应变是锂化稳定M_2相的可能原因。(5)利用电子束实现了二氧化钒金属绝缘体相变的可控形核。高能电子与二氧化钒非弹性相互作用产生俄歇电子发射而在纳米尺度的局部区域引入氧空位,以此降低二氧化钒局部的相变温度,使作用区域的M相在低于68°C,甚至于室温即转变为R相,实现二氧化钒的可控形核。该方法为调控二氧化钒金属-绝缘体转变的新方法。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O614.511;TB383.1

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