氧空位诱导的多孔V2O5纳米薄膜室温铁磁性与磁电双调控效应研究

研究人员针对半导体氧化物缺陷调控机制不明的问题，通过磁控溅射技术制备多孔V2O5纳米薄膜，发现其室温饱和磁化强度(32 emu/cm3)较致密膜提升10倍，揭示氧空位通过类氢杂质态诱导铁磁性的机制，并实现Ag/V2O5/PAA/Al器件电阻-磁态双开关功能，为自旋电子学器件开发提供新思路。

　　

在过渡金属氧化物研究领域，V₂O₅因其独特的层状结构和丰富的物化性质，长期以来在能源存储、传感器等领域大放异彩，但其磁性研究却始终是块未被充分开垦的"处女地"。传统观点认为，要实现材料室温铁磁性(RTFM)必须依赖元素掺杂，这种方法虽有效却可能引入杂质相，犹如在纯净的水中滴入墨水，虽改变了颜色却也带来了污染。更令人困扰的是，现有磁电双调控材料普遍面临铁磁信号弱、调控能力不足的瓶颈，就像试图用微弱的火苗点燃潮湿的木柴，难以满足实际应用需求。

河北师范大学的研究团队独辟蹊径，选择通过缺陷工程这一"内源性修饰"策略来解锁V₂O₅的磁性潜能。他们采用直流磁控溅射技术在多孔阳极氧化铝(PAA)模板上"编织"出结构可控的V₂O₅纳米薄膜，犹如在微观世界建造了一座充满孔隙的"磁性迷宫"。这项突破性成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，不仅揭示了氧空位与铁磁性的量子关联机制，更实现了电阻-磁态的双重电控开关，为下一代自旋电子器件开发铺设了新赛道。

研究团队运用三大关键技术展开攻关：通过两步阳极氧化法制备孔径均一的PAA模板；采用磁控溅射精确调控薄膜沉积时间（15-120分钟）获得梯度孔隙结构；结合X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)解析氧空位浓度与磁性的构效关系。特别值得注意的是，他们创新性地构建了Ag/V₂O₅/PAA/Al三明治结构器件，通过原位测试破解了电场对磁电协同调控的密码。

【形态结构分析】XRD谱图显示沉积态薄膜呈非晶特征，经400℃退火后出现(001)晶面衍射峰，表明热处理诱导了结晶化转变。扫描电镜(SEM)捕捉到薄膜从离散纳米岛（15分钟）到连续多孔网络（60分钟）再到致密结构（120分钟）的形态演变，这种可调控的孔隙结构为后续磁性研究提供了理想载体。

【磁性起源阐释】振动样品磁强计(VSM)测试显示多孔薄膜饱和磁化强度达32 emu/cm3，是致密膜的10倍。XPS谱中531.5 eV处的特征峰证实了氧空位存在，其浓度与磁化强度呈正相关。理论分析指出，氧空位在禁带中形成的类氢杂质态会产生未配对电子，这些电子通过s-p-d轨道杂化产生局域磁矩，相邻空位间的磁矩耦合最终引发集体铁磁有序。

【磁电调控验证】在施加±4 V偏压的器件测试中，研究人员观察到电阻开关比达10²量级，同时伴随约15%的磁化强度变化。这种双稳态切换源于电场驱动下氧空位迁移导致的导电通道形成/断裂，以及随之变化的磁矩耦合强度，首次在单一V₂O₅体系中实现了电阻-磁性的协同调控。

这项研究犹如打开了一扇新的大门，证明通过精确调控氧空位这种"零维缺陷"，无需外来掺杂即可在传统非磁性氧化物中激活强室温铁磁性。其创新价值体现在三方面：从科学层面建立了缺陷态-局域磁矩-长程有序的完整理论链条；技术层面开发出可批量制备的多孔薄膜工艺；应用层面示范了磁电双存储单元的原型器件。正如通讯作者Junmeng Zhang强调的，这种缺陷工程策略可推广至其他过渡金属氧化物体系，为开发低功耗、高密度存储器件提供了全新材料平台。未来通过优化孔隙率与退火工艺，有望进一步提升磁电耦合效率，推动自旋电子学从实验室走向产业化。