通过激光烧蚀微缺陷调控VO2相变：应变工程与多步切换

《Applied Surface Science》：Tailoring VO2 phase transitions via laser?ablated microdefects: strain engineering and multistep switching

激光烧蚀制备的缺陷可调控VO?微板的局部应变分布，孤立空腔通过集中拉伸应变促进M相形成，空腔-皱纹组合则抑制M相并导致多步骤相变及电导率显著降低。数值模拟验证了缺陷对局部应变的调控作用，为VO?功能器件设计提供了新方法。

　　

孟伟婷|单凯汉|张彦青|姜文宇|周帆|赵天舒|秦杰平|熊伟明

中国广西大学物理科学与技术学院纳米能源研究中心，广西相对论天体物理学重点实验室，南宁530004

摘要

应变工程已成为调节二氧化钒（VO₂）金属-绝缘体转变（MIT）特性的潜在方法。本研究提出了一种基于激光烧蚀的可编程缺陷工程策略，用于调控VO₂微板的微观结构。通过精确调节激光功率和照射时间，可以制造出孤立的空洞以及空洞与褶皱相结合的缺陷结构。这些缺陷通过局部应变调控有效地影响了畴的演变和相变行为。实验结果表明，空洞在MIT滞后窗口内局部集中了拉伸应变，从而促进了绝缘M相畴的成核；而褶皱则释放了应变并抑制了M相的形成。这两种缺陷的共存导致整体导电性显著降低，并表现出多步相变行为。模拟结果证实了这些缺陷能够有效重新分配局部应变，突显了基于微观结构与缺陷的局部应变工程的可行性。我们的工作为通过激光缺陷工程调控VO₂的相变和电学性质开辟了新的途径。

引言

二氧化钒（VO₂）是一种典型的强关联电子材料[1],[2]，其在约T_c ≈ 340?K [3],[4]时会发生可逆的金属-绝缘体转变（MIT）。冷却过程中，它会从金属金红石（R）相转变为绝缘单斜（M）相，同时伴随着电学、光学、机械和磁学性质的显著变化[4]。有趣的是，VO₂的MIT是一个强一级相变，形成了一个滞后窗口，使得金属金红石（R）相和绝缘单斜（M）相能够共存[5]。由于VO₂的M相和R相在晶格结构和物理性质上存在显著差异，对其MIT的有效控制为电子开关、忆阻器、莫特晶体管、热致变色器件和类脑系统等新型应用提供了可能[6],[7],[8],[9],[10]。

通常，VO₂的MIT行为、由M相和R相组成的畴结构及其电学性质可以通过多种因素进行调控，包括化学掺杂、化学计量控制、电场和应变工程[12],[13],[14],[15],[16]。值得注意的是，VO₂的MIT对[001]_R方向（R相的c轴）上的单轴应变极为敏感。在T_c附近，单轴拉伸应变会使VO₂稳定在M相，而压缩应变则会使其稳定在R相[17]。先前的研究表明，基底应变[18]、外部应变和应力[19],[20]能够有效调控VO₂的MIT行为、畴结构演变和电学传输性质。例如，胡等人[21]发现弯曲应力可以调节VO₂纳米梁中的M1/M2相分布和电学性质；应力梯度还可以诱导形成三角形的M-R畴阵列[19],[22],[23]。此外，由微观结构或化学缺陷引起的非均匀应力场在调控VO₂的微观和纳米尺度性质方面起着关键作用。斯特雷尔科夫等人[24]发现，化学掺杂引起的晶格应变能够有效调节VO₂的相结构，使其在室温下稳定在M2相。张等人和伦斯伯格等人的研究[25],[26]表明，电子束和离子束可以通过引入氧空位来控制VO₂的局部MIT性质，促进R相的形成。何等人[27]提出了一种利用激光诱导的氢掺杂/脱掺杂来操纵目标区域氢原子的方法，实现了室温下的局部相变控制，并可用于制造忆阻器和红外隐身微器件。此外，还有报道指出扫描原子力显微镜（AFM）探针可以在T_c附近但低于T_c的温度下局部诱导VO₂薄膜的M→R相转变[28]。同样，张等人[29]利用探针力工程在MIT滞后窗口内“机械注入”复杂的畴结构，展示了通过局部应力场调控异质畴结构的可行性。此外，由局部微裂纹缺陷产生的非均匀应力场也被证明可以引起VO₂薄膜中不同的相结构分布和转变温度变化[30],[31]。然而，通过控制缺陷设计来精确调节局部应变分布，以实现VO₂中定制的畴演变和相变路径的系统研究尚未得到充分探索。此类研究不仅有助于深入理解VO₂的MIT机制，也为开发基于VO₂的多功能器件提供了关键支持。

在这里，我们提出了一种基于激光烧蚀的缺陷工程策略。通过调节激光功率和照射时间，可以在VO₂微板上制造出仅含空洞或同时包含空洞与褶皱的微缺陷。这些缺陷允许对局部应变分布进行精确控制，从而实现对MIT行为的精确调控。在MIT滞后窗口内，空洞缺陷会局部集中应变，促进冷却过程中M相畴的稳定；相反，褶皱缺陷会释放局部基底应变，有利于R相的稳定。此外，电学测量进一步表明，空洞和褶皱缺陷的共存导致VO₂微板的整体导电性显著降低，并表现出多步相变行为。有限元分析模拟结果证实了通过微观结构设计引入局部应变的可行性。这些发现共同验证了通过缺陷介导的应变工程来调控相变动态的有效方法。

章节摘录

高质量VO₂微板的制备

采用可移动单温滑动管炉（BEQ, BTF-1400C）通过化学气相沉积（CVD）方法合成了高质量的单晶VO₂微板。使用V₂O₅粉末（99.6%，Alfa Aesar）作为钒源。商业化的热氧化硅基底（Si/SiO₂）放置在源下游7?cm处。该基底由一层约300?nm厚的热生长SiO₂绝缘层覆盖的Si晶圆组成。

结果与讨论

图1a展示了VO₂微板表面的激光诱导微观缺陷示意图，其长轴沿c_R轴方向。通过改变激光功率和照射时间，可以在VO₂微板表面选择性地引入不同的缺陷。低功率照射仅形成空洞，而高功率照射则同时生成空洞和类似褶皱的特征。

结论

本研究展示了一种基于激光烧蚀的VO₂微板缺陷设计方法。通过调节激光功率和照射时间，可以可控地引入孤立的空洞缺陷和复合的空洞与褶皱缺陷，从而调节局部应变分布、畴演变、电导率和多步相变行为。结果表明，空洞缺陷在VO₂中引入了局部拉伸应变集中，促进了

CRediT作者贡献声明

孟伟婷：撰写——原始草稿，研究，正式分析，数据管理，概念构思。单凯汉：研究，正式分析，数据管理，概念构思。张彦青：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，监督，资源协调。姜文宇：正式分析，数据管理，概念构思。周帆：正式分析，数据管理，概念构思。赵天舒：正式分析，数据管理，概念构思。秦杰平：正式分析，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢八桂青年顶尖人才支持计划对熊伟明的支持，广西自然科学基金（项目编号2025GXNSFBA069120）对张彦青的支持，国家自然科学基金（项目编号12072380）对熊伟明的支持，以及广西青苗人才支持计划对熊伟明和张彦青的支持。本工作还得到了光电材料与技术国家重点实验室（中山大学）启动基金的支持。