VO2/Nb:TiO2外延异质界面金属-绝缘体转变行为的可逆光学调控(英文)

作者：杨远俊^*; 王桂林; 黄文宇; 王藏敏; 姚迎学; 毛小丽; 林辉; 张霆; 仇怀利; 李中军; 张汇^*; 殷月伟; 郭金花; 关勇; 闫文盛; 罗震林; 邹崇文; 田扬超; 肖钢; 李晓光; 高琛^*

来源：Science China-Materials, 2021, 64(07): 1687-1702.

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.本文中,我们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.我们发现该异质结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.

• 单位
  合肥工业大学; 中国科学技术大学; 中国科学院大学