南京大学缪峰教授、梁世军教授,郑州大学程少博教授 ACS Nano:原子级薄单晶VO₂₋δ中可通过栅电压调控的关联电子态

在凝聚态物理领域，理解和控制量子材料中的关联电子态是一个核心主题。与三维量子材料相比，二维量子材料系统中的电子关联效应和量子涨落可以得到显著增强。这些效应能够抑制竞争的长程序，并稳定在块体材料中无法实现的量子相。此外，二维量子材料的物理性质可通过门电压调控，为研究关联金属态提供了理想平台。近年来，尽管在二维层状结构材料（如魔角石墨烯和过渡金属硫族化合物）中已报道了低温关联金属行为，但非层状结构的过渡金属氧化物（如二氧化钒，VO₂）由于其独特的电子结构和强库仑相互作用，也被广泛认为是研究强关联材料的原型。然而，由于非层状结构和氧化学计量比的敏感性，合成原子级厚度的非层状单晶过渡金属氧化物一直是一个挑战。

本研究通过化学气相沉积（CVD）方法，采用氢气限制自终止生长机制，成功合成了原子级厚度的单晶青铜相VO₂₋δ（2D VO₂₋δ）薄片。

1. 前驱体选择
   使用三氯化钒（VCl₃）作为前驱体，氧气作为氧化剂，氢气和氩气的混合气体作为载气。
2. 生长条件控制
   通过精确控制氢气和氧气的流量，在CVD装置中实现VO₂₋δ薄片的生长。氢气的引入降低了氧浓度，从而抑制了钒的过度氧化，稳定了VO₂相。

图文内容

图1展示了二维青铜相VO₂₋δ的生长过程和基本表征结果。图1a显示了青铜相VO₂的晶体结构，其具有单斜对称性（空间群C2/m），晶格常数分别为a=12.152Å，b=3.7199Å，c=6.347Å。通过CVD方法合成的2D VO₂₋δ薄片具有明确的单层厚度周期性和高结构质量，如图1b所示，AFM高度剖面显示其厚度约为0.8nm，对应于VO₂母相的单位胞厚度。图1c展示了覆盖面积为数百平方微米的孤立单层薄片的光学对比图像，表明可以合成出具有大横向尺寸的2D VO₂₋δ薄片。拉曼光谱（图1d）显示了与先前报道一致的Ag和Bg振动模式，XPS表征（图1e）确认了V4+氧化态的存在，所有这些结果均表明合成的2D薄片保留了青铜相并具有原子级平坦的表面。XRD表征进一步确认了VO₂的青铜相结构（图S6）。

图2展示了原子级分辨率的STEM表征结果，进一步确认了2D VO₂₋δ薄片的高结晶质量。图2a为沿[100]区轴的HAADF-STEM图像，显示了明亮的原子列对应于钒原子，与叠加的原子结构模型（插图）完美对齐，表明2D VO₂₋δ薄片具有准确的堆积和高结晶度。图2b为选区电子衍射（SAED）图案，显示了一单元厚薄片中的(110)、(020)、(110)和(600)反射，以及两单元厚薄片中的(110)、(400)和(600)衍射斑点，表明存在稳健的长程面内晶体学秩序。这种优选的ab面暴露与密度泛函理论预测一致，其中(001)面具有最低的表面能。尽管在高指数反射中观察到轻微的强度变化，但这并非内在的结构无序，而是由于电子束暴露下的动态衍射效应所致。图2c展示了高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，清晰地显示了周期性晶格结构，测得的(110)和(200)平面之间的面内角约为107°，与母相VO₂的单斜对称性和光学图像中观察到的晶体形态一致。