清華物理繫於浦課題組取得重大突破：電場誘導雙離子、三態相變蘊含廣泛應用前景

清華新聞網6月1日電 6月1日，清華大學物理繫於浦副教授帶領的研究團隊在《自然》（Nature）期刊在線發表了題為《選擇性雙離子開關電場控制的三態相變》（「Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch」）的研究論文，首次在單一材料中實現了雙離子的電場可控結構相變，並揭示了基於三態相變過程中光、電和磁學特性調控的器件應用。《自然》同期發表題為《凝聚態物理：功能材料的轉瞬之間》（「Condensed-matter physics: Functional materials at the flick of a switch」）的新聞評述，對這一工作給予了高度評價。

電場控制離子導致的結構相變在物理及材料科學中具有重要意義，並被廣泛應用於電池、智能玻璃、燃料電池等應用領域。然而到目前為止，這些調控只能實現作用於O2-, H+和Li+等單離子的調控，基於選擇性雙離子（如O2-和H+）的電場控制相變尚未實現。通過優化設計，於浦所帶領的研究團隊採用離子液體電場調控的方法，在模型體系氧化物SrCoO2.5結構中首次實現了電場下的雙離子（O2-離子和H+離子）的可逆調控，並伴隨著SrCoO2.5與SrCoO3-δ以及以前尚未發現的新相HSrCoO2.5之間的三相可逆結構相變。

需要指出的是，傳統研究通常藉助外加壓力或材料生長過程中的化學摻雜等調控手段，實現新型物相及新穎物性的設計，但本研究通過電場控制實現離子的插入和析出及其所對應的物相轉變，為材料物性調控提供了一類全新的手段。該項發現可以被廣泛推廣到其它一系列材料體系中，有望孕育出大量的新奇結構相變和豐富功能特性。

通過氧離子和氫離子的電場調控，可以實現SrCoO3, SrCoO2.5和HSrCoO2.5之間的可逆相變。

同時，由於調控過程中三相轉換在可見光和紅外光區具有迥然不同的光學吸收特性，本研究通過電場對於相變的調控實現了基於雙離子調控的雙波段（可見光和紅外光）三態電致色變效應。可見光可實現環境亮暗的調節，紅外光則具有顯著熱效應，可以實現環境涼暖的調節。通過三相調節可以實現全透、進紅外光擋可見光以及全部擋光等三種透光狀態，而這樣的調控有著廣泛的應用前景。例如，智能玻璃就可以根據所需場景，通過電壓調節建築物玻璃不同波段的透射率，從而達到高效節能的目的。具體說，冬天可以在不妨礙可見光波段明暗調節需求的前提下提高紅外波段的透射率增加室內溫度。反之，夏天可以降低紅外波段的透射率來減小外界帶來的輻射升溫，而且並不妨礙可見光波段明暗的調節需求。更重要的是，這是一種具有「非揮發」特性的相變，即撤掉電壓後，其相變後的結構和性能會得到長久保持，從而大大減少維持相變所需的能源消耗。

樣品三相相變過程所對應的（上）樣品透光度和（左下）透射光譜的變化以及（右下）磁電耦合效應。

此外，這三個相還擁有完全不同的電學和磁學基態，即顯示鐵磁金屬性的SrCoO3-δ，反鐵磁絕緣性的SrCoO2.5以及弱鐵磁絕緣性的HSrCoO2.5。應用中，可以通過電場控制這些相之間的切換，從而實現多磁態之間的電場調控。通常情況下，材料磁態的調控需要藉助外加磁場實現，需要很大的能耗。而電場對於磁性的調控，即所謂磁電耦合效應，則能顯著降低能耗，從而在新型自旋電子學器件中具有廣泛的應用前景。

研究團隊部分成員在實驗室合影。

清華大學物理繫於浦副教授和吳健教授為文章的共同通訊作者，於浦副教授負責了該項目的構思、設計及實驗的主要部分，吳健教授負責了本文的理論模型部分。博士後魯年鵬為第一作者，張鵬飛博士為該項研究提供了理論支持。材料學院南策文院士，中科院物理所谷林研究員和張慶華博士負責了材料的透射電鏡測量。其他合作者還包括物理系周樹雲教授和張定助理教授，英國杜倫大學的何清教授，美國勞倫斯伯克利國家實驗室先進光源的楊萬里博士和埃爾克·阿倫霍爾茲（Elke Arenholz）博士以及日本理化學研究所的十倉好紀（Yoshinori Tokura）教授。

本項研究課題得到了科技部、自然科學基金委、清華大學自主科研計劃、清華大學低維量子物理國家重點實驗室以及未來晶元技術高精尖創新中心支持。

文章鏈接:

https://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature22389

供稿：物理系 編輯：悸寔 華山

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