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中科大发现神奇的“点铁成氢”技术

合肥在线  2018-03-04 10:11   稿源: 合肥在线

  合肥在线讯(记者 王旭)二氧化钒接近室温(~68oC)的相变表现出四到五个量级的电阻突变和显著的红外/THz开关效应,在相变存储器、红外激光防护以及“智能窗”等方面有着广泛的应用前景。然而其相对过高的相变温度成为实际应用的瓶颈问题。氢原子能够有效进入二氧化钒晶格实现室温金属化相变,但传统的氢化掺杂技术依赖于高耗能的温度、压力和贵金属催化剂等条件,这些不利因素成为制约二氧化钒材料氢化相变调控和应用的障碍。

  近日,中国科学技术大学邹崇文副研究员与合肥微尺度国家研究中心江俊教授合作,突破高温贵金属催化加氢调控二氧化钒相变的传统方法,利用金属吸附驱动酸溶液的质子掺杂进入二氧化钒材料来实现温和条件下极低成本的材料加氢相变,发明了堪称“化腐蚀为神奇的点铁成氢”技术。该成果发表在最新一期的《自然通讯》上。

  众所周知,酸溶液很容易腐蚀包括二氧化钒在内的大多数氧化物,因而在常温常压条件下酸液不能作为氢源用于氧化物材料的氢化处理。邹崇文研究组的博士研究生陈宇粮在一次用硫酸溶液清洗消除二氧化钒薄膜残余的实验中,不小心用铁镊子夹取二氧化钒薄膜样品进入酸溶液,而不是可防酸腐蚀的塑料镊子。偶然的失误却得到了大发现:通常塑料镊子夹取的二氧化钒薄膜在酸溶液中几分钟就会完全腐蚀,而这次仅被铁镊子夹了一角的整片二氧化钒薄膜却能在硫酸中坚持良久还安然无恙。

  进一步实验发现,在浸入酸性溶液的外延二氧化钒薄膜表面贴附一颗金属颗粒,不但可以实现大面积的二氧化钒薄膜表面抗酸溶液腐蚀,还能够在温和的条件下实现二氧化钒材料加氢,进而很容易改变二氧化钒的电子态实现从绝缘-金属-绝缘的三阶段依次相变。这种相变过程具有极其快速的扩散效应,因而仅用极小的金属颗粒(直径1毫米)就可以使直径两英寸的二氧化钒外延薄膜抗腐蚀并金属化,从而达到类似于“点石成金”的“点铁成氢”效果。

  理论预测揭示了该现象背后的电子-质子协同掺杂机理。基于这种协同掺杂策略,通过简单的将酸液、金属颗粒、二氧化钒接触,实现了“本征绝缘态-金属态-新的绝缘态”三态调节,不仅可发展为一种兼容常规环境的掺杂方式,也能对研究电子协同作用产生积极的影响。

  相对传统的掺杂技术往往会使用到高温、高压、以及贵金属的催化加氢,本工作发展了一种能更好兼容常规温和环境的掺杂方式,且操作简便成本极为低廉,对开发新型功能材料与器件以及促进基础理论的发展都有重要意义。

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