清華物理系于浦課題組取得重大突破：
電場誘導(dǎo)雙離子、三態(tài)相變蘊(yùn)含廣泛應(yīng)用前景
清華新聞網(wǎng)6月1日電 6月1日，清華大學(xué)物理系于浦副教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）期刊在線發(fā)表了題為《選擇性雙離子開關(guān)電場控制的三態(tài)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(shí)現(xiàn)了雙離子的電場可控結(jié)構(gòu)相變，并揭示了基于三態(tài)相變過程中光、電和磁學(xué)特性調(diào)控的器件應(yīng)用。《自然》同期發(fā)表題為《凝聚態(tài)物理：功能材料的轉(zhuǎn)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(jià)。
電場控制離子導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)相變在物理及材料科學(xué)中具有重要意義，并被廣泛應(yīng)用于電池、智能玻璃、燃料電池等應(yīng)用領(lǐng)域。然而到目前為止，這些調(diào)控只能實(shí)現(xiàn)作用于O2-, H+和Li+等單離子的調(diào)控，基于選擇性雙離子（如O2-和H+）的電場控制相變尚未實(shí)現(xiàn)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，于浦所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)采用離子液體電場調(diào)控的方法，在模型體系氧化物SrCoO2.5結(jié)構(gòu)中首次實(shí)現(xiàn)了電場下的雙離子（O2-離子和H+離子）的可逆調(diào)控，并伴隨著SrCoO2.5與SrCoO3-δ以及以前尚未發(fā)現(xiàn)的新相HSrCoO2.5之間的三相可逆結(jié)構(gòu)相變。
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。
通過氧離子和氫離子的電場調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)SrCoO3, SrCoO2.5和HSrCoO2.5之間的可逆相變。
同時(shí)，由于調(diào)控過程中三相轉(zhuǎn)換在可見光和紅外光區(qū)具有迥然不同的光學(xué)吸收特性，本研究通過電場對于相變的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了基于雙離子調(diào)控的雙波段（可見光和紅外光）三態(tài)電致色變效應(yīng)。可見光可實(shí)現(xiàn)環(huán)境亮暗的調(diào)節(jié)，紅外光則具有顯著熱效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境涼暖的調(diào)節(jié)。通過三相調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)全透、進(jìn)紅外光擋可見光以及全部擋光等三種透光狀態(tài)，而這樣的調(diào)控有著廣泛的應(yīng)用前景。例如，智能玻璃就可以根據(jù)所需場景，通過電壓調(diào)節(jié)建筑物玻璃不同波段的透射率，從而達(dá)到高效節(jié)能的目的。具體說，冬天可以在不妨礙可見光波段明暗調(diào)節(jié)需求的前提下提高紅外波段的透射率增加室內(nèi)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，而且并不妨礙可見光波段明暗的調(diào)節(jié)需求。更重要的是，這是一種具有“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(yīng)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(yīng)。
此外，這三個(gè)相還擁有完全不同的電學(xué)和磁學(xué)基態(tài)，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(yīng)用中，可以通過電場控制這些相之間的切換，從而實(shí)現(xiàn)多磁態(tài)之間的電場調(diào)控。通常情況下，材料磁態(tài)的調(diào)控需要借助外加磁場實(shí)現(xiàn)，需要很大的能耗。而電場對于磁性的調(diào)控，即所謂磁電耦合效應(yīng)，則能顯著降低能耗，從而在新型自旋電子學(xué)器件中具有廣泛的應(yīng)用前景。
研究團(tuán)隊(duì)部分成員在實(shí)驗(yàn)室合影。
清華大學(xué)物理系于浦副教授和吳健教授為文章的共同通訊作者，于浦副教授負(fù)責(zé)了該項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)的主要部分，吳健教授負(fù)責(zé)了本文的理論模型部分。博士后魯年鵬為第一作者，張鵬飛博士為該項(xiàng)研究提供了理論支持。材料學(xué)院南策文院士，中科院物理所谷林研究員和張慶華博士負(fù)責(zé)了材料的透射電鏡測量。其他合作者還包括物理系周樹云教授和張定助理教授，英國杜倫大學(xué)的何清教授，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)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(xué)研究所的十倉好紀(jì)（Yoshinori Tokura）教授。
本項(xiàng)研究課題得到了科技部、自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、清華大學(xué)低維量子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)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
