幸福都是奋斗出来的：科研大事记之电场调控“三态”相变研究

发布日期：2019-12-08

    2017年Nature在线刊登了一篇来自我国科学家的研究论文“Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch”，并在同期发表了题为“Condensed-matter physics: Functional materials at the flick of a switch”的新闻评述，对我国科学家的研究成果给予了高度评价。该研究在单一材料中实现了基于双离子电场调控的三态结构相变，并揭示了三态相变过程中光、电和磁学特性调控的原理及应用前景。 

图1 a、b为电场调控示意图，c为通对O2-离子和H+离子的选择性调控实现SrCoO3, SrCoO2.5和HSrCoO2.5之间的可逆相变。

    电场调控是物理学和材料科学中常用的一种调控手段，但传统的电场调控大都只能调控一种离子的价态或者使材料可以在两种状态之间转换。于浦教授带领的团队经过巧妙的构思和设计，通过离子液体电场调控手段在氧化物SrCoO2.5中实现了对O2-离子和H+离子的选择性调控，使材料在SrCoO2.5、SrCoO3-δ以及HSrCoO2.5三相之间进行可逆结构相变，这是选择性双离子调控的实现，也是电场调控的重要进步。

图2 电场作用、选择性的双离子调控三相磁电耦合  

    由于材料的三态在可见光和红外光区具有不同的光学吸收特性，该研究展示了在可见光和红外线波段的三态电致色变效应，同时证实了三态相变是一种具有“非挥发”特性的相变，即撤掉电压后，其相变后的结构和性能会得到长久保持，从而大大减少维持相变所需的能源消耗。

    如果将这一成果应用在玻璃上，就可以通过对透光率的调节实现对室内亮度、温度的调节，从而达到高效节能的目的。新颖的光学特性使该材料在节能环保方面有着不可估量的潜力。另外，材料的三态还具有不同的电磁学特性，分别对应反铁磁绝缘体、铁磁金属和弱铁磁绝缘体。可调控的电磁学特性使得该材料在新的自旋电子学器件应用方面同样具有广阔的前景。

图3 a. 三态电致色变效应，不同相在可见光波段的通过率不同；b. 不同相在红外线波段的通过率不同，可应用于玻璃来调节室内温度。

    需要指出的是，传统研究通常借助外加压力或材料生长过程中的化学掺杂等调控手段，实现新型物相及新颖物性的设计，但本研究通过电场控制实现离子的插入和析出及其所对应的物相转变，为材料物性调控提供了一类全新的手段。该项发现可以被广泛推广到其它一系列材料体系中，有望孕育出大量的新奇结构相变和丰富功能特性。

    在此，我们再次祝贺于浦教授取得可喜的科研成果，也非常荣幸Quantum Design的设备能够在实验中助老师一臂之力，同时感谢于浦教授继续选择PPMS，完成了清华大学第10台PPMS综合物性测量系统的小小里程碑。正如习总书记所言，希望我们能与各位科研工作者一起并肩奋斗，在新的一年能够保持“逢山开路，遇水架桥”的坚定信念，为2018年中国科研事业的辉煌锦上添花！