幸福都是奮斗出來的：科研大事記之電場調(diào)控“三態(tài)”相變研究

    回顧2017， “慧眼”衛(wèi)星遨游太空，C919大型客機(jī)飛上藍(lán)天，量子計(jì)算機(jī)研制成功，海水稻進(jìn)行測產(chǎn)，首艘國產(chǎn)航母下水，“海翼”號深?；铏C(jī)完成深海觀測，海域可燃冰試采成功，洋山四期自動(dòng)化碼頭正式開港，港珠澳大橋主體工程全線貫通，復(fù)興號奔馳在祖國廣袤的大地上……正是各行各業(yè)工作者的努力奮斗，才使得我國在各個(gè)領(lǐng)域都取得了輝煌的成就。本期將會(huì)為您重點(diǎn)介紹2017年我國材料學(xué)的一大重要發(fā)現(xiàn)——由清華大學(xué)于浦科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的電場調(diào)控下的“三態(tài)”相變。 

    2017年Nature在線刊登了一篇來自我國科學(xué)家的研究論文“Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch”，并在同期發(fā)表了題為“Condensed-matter physics: Functional materials at the flick of a switch”的新聞評述，對我國科學(xué)家的研究成果給予了高度評價(jià)。該研究在單一材料中實(shí)現(xiàn)了基于雙離子電場調(diào)控的三態(tài)結(jié)構(gòu)相變，并揭示了三態(tài)相變過程中光、電和磁學(xué)特性調(diào)控的原理及應(yīng)用前景。 

圖1 a、b為電場調(diào)控示意圖，c為通對O^2-離子和H⁺離子的選擇性調(diào)控實(shí)現(xiàn)SrCoO³, SrCoO_2.5和HSrCoO_2.5之間的可逆相變。  

    電場調(diào)控是物理學(xué)和材料科學(xué)中zui常用的一種調(diào)控手段，但傳統(tǒng)的電場調(diào)控大都只能調(diào)控一種離子的價(jià)態(tài)或者使材料可以在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。于浦教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過巧妙的構(gòu)思和設(shè)計(jì)，通過離子液體電場調(diào)控手段在氧化物SrCoO_2.5中實(shí)現(xiàn)了對O^2-離子和H⁺離子的選擇性調(diào)控，使材料在SrCoO_2.5、SrCoO_3-δ以及HSrCoO_2.5三相之間進(jìn)行可逆結(jié)構(gòu)相變，這是選擇性雙離子調(diào)控的實(shí)現(xiàn)，也是電場調(diào)控的重要進(jìn)步。

圖2 電場作用、選擇性的雙離子調(diào)控三相磁電耦合  

    由于材料的三態(tài)在可見光和紅外光區(qū)具有不同的光學(xué)吸收特性，該研究展示了在可見光和紅外線波段的三態(tài)電致色變效應(yīng)，同時(shí)證實(shí)了三態(tài)相變是一種具有“非揮發(fā)”特性的相變，即撤掉電壓后，其相變后的結(jié)構(gòu)和性能會(huì)得到*保持，從而大大減少維持相變所需的能源消耗。

    如果將這一成果應(yīng)用在玻璃上，就可以通過對透光率的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)亮度、溫度的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。新穎的光學(xué)特性使該材料在節(jié)能環(huán)保方面有著不可估量的潛力。另外，材料的三態(tài)還具有不同的電磁學(xué)特性，分別對應(yīng)反鐵磁絕緣體、鐵磁金屬和弱鐵磁絕緣體。可調(diào)控的電磁學(xué)特性使得該材料在新的自旋電子學(xué)器件應(yīng)用方面同樣具有廣闊的前景。

圖3 a. 三態(tài)電致色變效應(yīng)，不同相在可見光波段的通過率不同；b. 不同相在紅外線波段的通過率不同，可應(yīng)用于玻璃來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度

    需要指出的是，傳統(tǒng)研究通常借助外加壓力或材料生長過程中的化學(xué)摻雜等調(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)新型物相及新穎物性的設(shè)計(jì)，但本研究通過電場控制實(shí)現(xiàn)離子的插入和析出及其所對應(yīng)的物相轉(zhuǎn)變，為材料物性調(diào)控提供了一類全新的手段。該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)相變和豐富功能特性。

    在此，我們再次祝賀于浦教授取得可喜的科研成果，也非常榮幸Quantum Design的設(shè)備能夠在實(shí)驗(yàn)中助老師一臂之力，同時(shí)感謝于浦教授繼續(xù)選擇PPMS，完成了清華大學(xué)第10臺(tái)PPMS綜合物性測量系統(tǒng)的小小里程碑。正如習(xí)所言，希望我們能與各位科研工作者一起并肩奮斗，在新的一年能夠保持“逢山開路，遇水架橋”的堅(jiān)定信念，為2018年中國科研事業(yè)的輝煌錦上添花！

文章內(nèi)容：部分來源于清華大學(xué)
參考文獻(xiàn)：Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22389） 

關(guān)于Quantum Design

Quantum Design是世界上的科研設(shè)備制造商和儀器分銷商，于1982年創(chuàng)建于美國加州圣迭戈。公司生產(chǎn)的 SQUID 磁學(xué)測量系統(tǒng) (MPMS) 和材料綜合物理性質(zhì)測量系統(tǒng) (PPMS) 已經(jīng)成為*的*測量平臺(tái)，廣泛的分布于世界上幾乎所有材料、物理、化學(xué)、納米等研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室。2007年，Quantum Design并購了歐洲zui大的儀器分銷商LOT公司，現(xiàn)已成為世界的科學(xué)儀器領(lǐng)域的跨國公司。目前公司擁有分布于英國、美國、法國、德國、巴西、印度，日本和中國等地區(qū)的數(shù)十個(gè)分公司和辦事處，業(yè)務(wù)遍及一百多個(gè)和地區(qū)。中國地區(qū)是Quantum Design公司zui活躍的市場，公司在北京、上海和廣州設(shè)有分公司或辦事處。幾十年來，公司與中國的科研和教育領(lǐng)域的合作卓有成效，為中國科研的進(jìn)步提供了*的設(shè)備以及高質(zhì)量的服務(wù)。