功能氧化物薄膜的锂离子调控 | 应用物理前沿推介系列No.42

新年寄语

      岁首元旦，恰是《应用物理前沿推介》专栏开设一周年纪念。本栏目由中国物理学会和中国科学院物理研究所应用物理中心联合发起，中国物理学会为此特别成立了“应用物理前沿推介委员会”。去年元旦刊发的第一篇文章是兰州大学柴国志教授介绍磁振子频率梳，到今天清华大学于浦教授推介的锂离子调控功能氧化物薄膜文章，专栏以几乎每周一篇的速度，在10个应用物理前沿方向上共发表42篇推介，其中前27篇已汇编成册，并在中国物理学会2023年秋季学术会议上分发给了所有参会代表。

      应用物理是科学和技术之间的重要桥梁，大力发展应用物理研究对于我国科技发展和社会进步具有重要意义。应用物理前沿推介专栏的宗旨是向广大物理同行推广介绍国内外应用物理前沿及相关领域的重要成果，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。在这一指导思想的基础上，为进一步促进从事基础和应用物理前沿研究的科研人员与产业界人士之间的沟通交流，中国物理学会联合物理所应用物理中心、长三角物理研究中心，将于2024年3月28日至31日在江苏溧阳举办第一届应用物理会议，并同期举办第一届全国应用物理教育改革与发展论坛。应用物理前沿推介委员会的很多成员参与了这次会议的组织，欢迎大家参加并鼓励周围的同事和同学参加本次盛会（会议网站：http://meeting.cps-net.org.cn/APC2024）。

      本专栏作为前沿推介窗口，希望在新的一年里能继续发挥其前瞻性、易读性、洞察性、快速性和突出性，更好地为物理学工作者服务。感谢广大读者的支持，感谢前沿推介委员会的各位委员及专栏作者们的辛勤付出。新年伊始愿诸事顺利，携手共进2024！

吴义政

应用物理前沿推介委员会主任

2024年1月1日

✦  +

+

本期推介

功能氧化物薄膜的锂离子调控

材料生长中的化学掺杂与替换作为材料物性调控的主要策略，被广泛应用于关联材料的研究中，并通过电荷填充、晶格对称性构筑等方式对材料的高温超导、庞磁阻效应、铁电性、多铁性等量子物性进行有效调控[1]。近年来，人们开始逐步尝试通过电化学离子调控方法，利用电场控制材料中的离子嵌入和析出，对材料的电学、磁学、光学等系列物性进行操控，并衍生出系列重要功能应用[2]。该技术不仅可以避免化学掺杂方法中工艺繁琐、化学互溶性受限等问题，而且可以通过施加电压实现材料电子态的连续调控，为众多电子元器件应用提供了新的方案；人们对这一调控方法所带来的丰富可能性抱以热切期待。

结合离子调控技术，国内外科研团队已成功研发高性能人工突触、智能玻璃、燃料电池等系列重要应用器件[3]，而多样化功能离子的进一步探索将有望拓展这一调控技术的应用价值。具有小半径、轻质量的离子作为功能离子进行调控时，往往具有速度快、能耗低等优点，因此，氢离子、锂离子是离子调控器件研究的重点。固态锂电池已随着锂离子陶瓷材料的开发而得到广泛的应用，在循环寿命、能量密度和保持性等方面具有显著的优势。随着电子器件多功能化、小型化、集成化等需求的不断增加，锂离子调控器件迎来发展的良好契机。但也面临着众多挑战，亟需在调控技术、功能材料、器件设计等方面进行创新。更高的离子扩散速度对于锂离子电池、电致变色调制及其它电子元器件应用都至关重要，是决定其性能的核心指标之一。

T-Nb₂O₅作为一种高效的电池和超级电容器的阳极材料受到了广泛关注。该材料中4g层内锂离子的扩散空间障碍非常小，可以作为二维通道允许锂离子在其中快速扩散（图1a）。此外，T-Nb₂O₅中由于Nd离子d轨道处于全空状态，显示出良好的绝缘体特性；而锂离子插入引起的电子掺杂将对4d轨道进行填充，从而引发绝缘体-金属相变，因此T-Nb₂O₅在可调制电子器件等应用中具有良好前景[4]。即便在应用上具有诸多优势，然而自该材料1941年被发现以来，其单晶薄膜的外延生长技术一直不成熟，严重地制约了其在电子器件应用上的拓展。

图1 .  (a) T-Nb₂O₅的晶体结构示意图；（b）薄膜的外延生长关系。

最近，来自德国马普所、英国剑桥大学和美国宾夕法尼亚大学等机构的研究团队在T-Nb₂O₅薄膜的外延生长和锂离子调控研究中取得了重要进展[5]。他们基于脉冲激光沉积技术成功地制备了层状结构垂直于样品表面的T-Nb₂O₅外延薄膜（图1b）；这一结构取向为锂离子在薄膜法向的快速迁移提供了高效路径，并可通过原位和非原位的实验对其锂离子嵌入过程中的电子和结构性质演变进行全面研究（图2a）。该团队发现，随着锂离子的插入，材料的电阻率经历高达11个量级的急剧降低（图2b），显现出显著的绝缘体-金属相变。

图2.  锂离子调控下T-Nb₂O₅的（a）连续结构相变及（b）对应的绝缘体-金属相变。

离子调控技术的一大优势是可以对材料组分和结构进行精准且连续的调控，同时该技术还可以与光、力、磁等多物理场进行耦合，进而绘制相应的物理相图。在T-Nb₂O₅薄膜的锂离子调控过程中，原位测量技术可以原位监测电阻、载流子浓度、迁移率以及晶体结构随嵌入锂离子浓度的演变，并构建出锂离子掺杂所对应的物性演化相图（图3）。

图3. 锂离子掺杂T-Nb₂O₅的晶体结构及电子态相图。

该团队进一步利用典型锂离子电池结构下的电化学实验分析了锂离子嵌入T-Nb₂O₅薄膜的相变动力学特征。通过实验上对比电压调控T-Nb₂O₅和WO₃薄膜器件的效果，以及对器件中锂离子插入和金属化的动力学行为的分析，发现法向的离子通道对于快速的电压调控起到了关键作用，使得T-Nb₂O₅薄膜器件在锂离子调控速度、电阻变化幅度、操控电压范围及可逆性等器件性能指标方面都具有显著的优势。

该工作突破了单晶T-Nb₂O₅外延生长的技术难题，并成功地将锂离子液体调控方案应用到这一体系的物性调控中。这一新材料的获得和新方案的提出，为薄膜电池、电致变色器件、类脑存储器件、电化学传感等诸多应用领域的研究开辟了新路径。今后，如果能将锂离子调控材料性能的技术缩小至薄膜形式，锂离子导体的应用多样性将进一步增加，并进一步利于将小规模能量存储器件、电化学传感器件、信息存储和计算器件等集成于同一锂离子芯片单元。这将使电子设备变得更高效、更智能，从而推动电子信息技术的快速进步。

张帆，北京邮电大学理学院，特聘副研究员。主要关注于功能氧化物材料的调控技术和应用开发。

于浦，清华大学物理系，教授。主要致力于新型关联氧化物的原子尺度设计和实验实现，以及基于离子调控的物性探索。

(1) Schlom, D. G.; et al. A Thin Film Approach to Engineering Functionality into Oxides. Journal of the American Ceramic Society 2008, 91 (8), 2429-2454.

(2) Lu, N.; et al. Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch. Nature 2017, 546 (7656), 124-128.

(3) Zhang, H.-T.; et al. Beyond electrostatic modification: design and discovery of functional oxide phases via ionic-electronic doping. Advances in Physics: X 2019, 4 (1), 1523686.

(4) Nico, C.; et al. Niobium oxides and niobates physical properties: Review and prospects. Progress in Materials Science 2016, 80, 1-37.

(5) Han, H.; et al. Li iontronics in single-crystalline T-Nb₂O₅ thin films with vertical ionic transport channels. Nature Materials 2023. Doi:10.1038/s41563-023-01612-2

新年重磅推出 | 应用物理前沿推介No.1

光频标技术 | 应用物理前沿推介No.2

光芯片集成的光频梳技术 | 应用物理前推介No.3

暗能量理论的首次确定性实验检验 | 应用物理前沿推介No.4

二维莫尔材料中的新型铁电效应 | 应用物理前沿推介No.5

功率集成电路新思路|应用物理前沿推介系列 | No.6

外场诱导金属-绝缘体转变的时间/空间协同表征 | No.7

韦伯近照赏析 | No.8

全球最大数码相机LSST简介 | No.9

高性能镁基热电器件 | 应用物理前沿推介系列No.10

面向量子计算的低温射频控制器的实现 | 应用物理前沿推介系列No.11

激光尾场电子加速 | 应用物理前沿推介系列No.12

拓扑绝缘体中太赫兹极化激元的实空间成像 | 应用物理前沿推介系列No.13

玻璃转变的Lindermann判据 | 应用物理前沿推介系列No.14

高空穴迁移率金刚石基晶体管 | 应用物理前沿推介系列No.15

基于非厄米趋肤效应的拓扑模态波函数重塑 | 应用物理前沿推介系列No.16

基于3D打印技术的太赫兹器件研制 | 应用物理前沿推介系列No.17

原子无线电技术 | 应用物理前沿推介系列No.18

基于感存算一体的人工智能视觉成像 | 应用物理前沿推介系列No.19

范德华异质结构在高效红外探测器的应用 | 应用物理前沿推介系列No.20

无滤波的中红外圆偏振光探测器 | 应用物理前沿推介系列No.21

仿生超表面声场调控 | 应用物理前沿推介系列No.22

超结构吸收体单晶高性能红外探测器 | 应用物理前沿推介系列No.23

基于二维磁性半导体构筑新型二维电子器件 | 应用物理前沿推介系列No.24

纳/微机电系统电控RGB彩色显示器 | 应用物理前沿推介系列No.25

超高磁场核磁共振技术 | 应用物理前沿推介系列No.26

双极热电约瑟夫森引擎 | 应用物理前沿推介系列No.27

基于NV色心的芯片电磁兼容测试技术 | 应用物理前沿推介系列No.28

硅基单片集成胶体量子点短波红外成像芯片 | 应用物理前沿推介系列No.29

非晶碳/金刚石相变机制以及新型碳材料研究进展 | 应用物理前沿推介系列No.30

新型低温快离子导体的设计和实现 | 应用物理前沿推介系列No.31

多轴原子干涉惯性测量技术 | 应用物理前沿推介系列No.32

超导感应加热技术 | 应用物理前沿推介系列No.33

新型太赫兹电子元器件 | 应用物理前沿推介系列No.34

基于声表面波的弱磁场传感技术 | 应用物理前沿推介系列No.35

微帕级灵敏度超声波探测 | 应用物理前沿推介系列No.36

反铁磁拓扑绝缘体中的非线性声子学 | 应用物理前沿推介系列No.37

新型超导铌针尖电子源 | 应用物理前沿推介系列No.38

高压极端条件下的量子传感 | 应用物理前沿推介系列No.39

宇宙微波背景探测实验 | 应用物理前沿推介系列No.40

谷极化自旋可控激光器 | 应用物理前沿推介系列No.41

为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

设计：陈   龙

排版：陈   龙

美编：张   悦

主编：吴义政

副主编：杨海涛

往期精彩

1.【会议通知】第一届应用物理会议暨全国应用物理教育发展与改革论坛

2. 【会员风采】角分辨光电子能谱研究揭示三层铜氧化物超导体高临界温度的电子结构起源

3. 物语|任捷：搭建“非平衡热力学几何”之路

4. 【会员风采】新型柔性声学超表面功能器件

5. 2023中国女物理学家巡回义讲（江浙行）活动成功举办

6. 物语 | 张蔚暄：首次基于人工拓扑电路，实验实现双曲拓扑态

7. 2023年诺贝尔物理学奖揭晓

8. "星空探秘与物理化学秀"科普活动总结

9. 荐书 |《非晶物质》的芳华

10. 【视频回放】中国物理学会2023年秋季学术会议

点亮“在看”，点亮科学之星