圖 探針調控納米尺度絕緣體-金屬相變的原理示意圖

　　在國家自然科學基金項目（批準號：51788104、52025024、51872155）等資助下，清華大學于浦教授、南策文院士和東南大學李玲龍副研究員等人在納米尺度電場調控材料絕緣體-金屬相變研究中取得突破。研究成果以“探針誘導氫化調控的絕緣體-金屬轉變（Manipulating the insulator–metal transition through tip-induced hydrogenation）”為題，于2022年9月29日在線發表于《自然·材料》（Nature Materials）雜志上。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01373-4。

　　強關聯氧化物材料具有眾多有趣的物理性質，其中絕緣體-金屬相變由于存在跨越數個量級的電導率變化而備受關注。利用電場調控該相變對于實現阻變器件、類腦存儲以及智能玻璃等功能應用具有重要價值。近年來，氫離子因其電場驅動下遷移快、調控能力強等特點，被廣泛應用于電場誘導的材料物性調控當中。通過電場驅動材料中氫離子的嵌入和析出，清華大學于浦教授團隊及合作者獲得了磁性調控、超導增強和絕緣體-金屬相變等系列有趣物性。然而，傳統離子調控策略面臨著難以在納米尺度實現有效操控和調控速度慢等困境，制約了相應的功能應用探索。

　　近期，清華大學/東南大學研究團隊提出利用具有氫催化活性的鉑鍍層納米探針將氣體氛圍中的氫分子分解為氫離子，并通過在探針上施加正向電壓將帶正電的氫離子注入到樣品中，最終在VO₂薄膜中實現了納米精度的氫離子調控。由于氫離子的嵌入伴隨著顯著的電子摻雜效應，使得氫化VO₂材料展現出可控的絕緣體-金屬相變特性。進一步地，他們發現在探針上施加反向電壓，可有效地使氫化區域中的氫離子脫出，使樣品重新恢復絕緣態，進而完整的實現了電場作用下的可逆氫化和絕緣體-金屬相變（圖）。

　　相比于該研究團隊前期所提出的離子液體門電壓調控策略，探針偏壓有效的降低了氫離子與材料表面的嵌入勢壘，將相變速度從宏觀器件的分鐘量級提高到了毫秒量級，為離子調控提供了新途徑。此外，不同于通過氧空位調控和靜電場調控，電場作用下氫離子的可逆調控有望將離子調控擴展到眾多的氧化物、二維材料、超導材料等體系，為離子型器件應用開發提供了廣闊空間。