图 探针调控纳米尺度绝缘体-金属相变的原理示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：51788104、52025024、51872155）等资助下，清华大学于浦教授、南策文院士和东南大学李玲龙副研究员等人在纳米尺度电场调控材料绝缘体-金属相变研究中取得突破。研究成果以“探针诱导氢化调控的绝缘体-金属转变（Manipulating the insulator–metal transition through tip-induced hydrogenation）”为题，于2022年9月29日在线发表于《自然·材料》（Nature Materials）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01373-4。
强关联氧化物材料具有众多有趣的物理性质，其中绝缘体-金属相变由于存在跨越数个量级的电导率变化而备受关注。利用电场调控该相变对于实现阻变器件、类脑存储以及智能玻璃等功能应用具有重要价值。近年来，氢离子因其电场驱动下迁移快、调控能力强等特点，被广泛应用于电场诱导的材料物性调控当中。通过电场驱动材料中氢离子的嵌入和析出，清华大学于浦教授团队及合作者获得了磁性调控、超导增强和绝缘体-金属相变等系列有趣物性。然而，传统离子调控策略面临着难以在纳米尺度实现有效操控和调控速度慢等困境，制约了相应的功能应用探索。
近期，清华大学/东南大学研究团队提出利用具有氢催化活性的铂镀层纳米探针将气体氛围中的氢分子分解为氢离子，并通过在探针上施加正向电压将带正电的氢离子注入到样品中，最终在VO2薄膜中实现了纳米精度的氢离子调控。由于氢离子的嵌入伴随着显著的电子掺杂效应，使得氢化VO2材料展现出可控的绝缘体-金属相变特性。进一步地，他们发现在探针上施加反向电压，可有效地使氢化区域中的氢离子脱出，使样品重新恢复绝缘态，进而完整的实现了电场作用下的可逆氢化和绝缘体-金属相变（图）。
相比于该研究团队前期所提出的离子液体门电压调控策略，探针偏压有效的降低了氢离子与材料表面的嵌入势垒，将相变速度从宏观器件的分钟量级提高到了毫秒量级，为离子调控提供了新途径。此外，不同于通过氧空位调控和静电场调控，电场作用下氢离子的可逆调控有望将离子调控扩展到众多的氧化物、二维材料、超导材料等体系，为离子型器件应用开发提供了广阔空间。