Cr掺杂V2O3电阻开关中的晶格压缩机制及其对Mott电子学的意义

本文通过微区X射线衍射与拉曼光谱技术，揭示了典型Mott绝缘体(V0.95Cr0.05)2O3在电场作用下发生电阻开关（Resistive Switching）的关键机制——晶格发生等对称性体积收缩（Volume Contraction），形成具有金属性的丝状导电通路。该发现将电场诱导的绝缘体-金属转变（Electric Mott Transition, EMT）与压力调控的Mott-Hubbard相变直接关联，为理解强关联电子系统的非平衡态物理提供了结构学证据，对发展新型 Mottronics（莫特电子学）器件具有重要指导意义。

　　

引言

数字革命的持续推进高度依赖于晶体管这一基础元件的微型化发展，然而传统微电子器件的尺寸缩放已接近物理极限。Mottronics（莫特电子学）应运而生，其核心是利用Mott绝缘体（Mott Insulator）的独特电子特性构建新型微电子器件。这类材料在电场作用下可发生极快的电阻开关（Resistive Switching）现象，其中由雪崩效应（Avalanche Phenomenon）触发的开关机制尤其引人关注，但其最终导电态的微观本质仍是争论焦点。

本文聚焦于典型Mott绝缘体铬掺杂三氧化二钒（(V_1-xCr_x)₂O₃），旨在阐明其电场诱导电阻开关过程中形成的亚稳态金属丝的结构本质。

结果与讨论

(V_1-xCr_x)₂O₃具有丰富的相图，随铬含量（x）、压力（P）和温度（T）变化，可呈现顺磁绝缘（PI）、反铁磁绝缘（AFI）和顺磁金属（PM）相。在（V_0.975Cr_0.025)₂O₃单晶的初始态电阻-温度（R(T)）测量中，观测到在184 K附近发生PI到AFI的转变，表现为电阻的十倍增加，符合其相图特征。对该样品在180 K下施加1 μs、35 kV cm^?1的电场脉冲后，实现了非易失性的电致莫特转变（Electric Mott Transition, EMT）。转变后的R(T)曲线显示电阻显著降低，并在93 K出现一个明显的电阻跳变。该跳变与相图中在约2.2 GPa压力下（V_0.975Cr_0.025)₂O₃的PM-AFI转变温度吻合，且冷却与加热过程存在约7 K的滞后，这是V₂O₃体系一级相变的典型特征。这些输运结果表明，电场脉冲在绝缘基质中创建了一个丝状导电路径（Conducting Filamentary Path），其内部处于压缩状态，足以在室温下稳定金属性的PM相。

为了直接验证丝内的晶格收缩，研究对经过EMT的（V_0.975Cr_0.025)₂O₃单晶进行了微区拉曼光谱（μ-Raman） mapping。光谱显示，丝状区域与原始区域均仅呈现刚玉结构的特征拉曼峰，排除了对称性破缺或其它VOx相形成的可能。然而，丝内约240-250 cm^?1的A_1g拉曼峰相对于原始区域发生了超过-20 cm^?1的位移，且200 cm^?1以下的拉曼信号强度增加。作为对比，对（V_0.962Cr_0.038)₂O₃单晶施加1.8 GPa静水压诱发Mott转变后，其拉曼光谱也出现了类似的A_1g峰位移和低频信号增强。这一致性强烈暗示电场诱导的丝状相与压力诱导的金属相具有相似的结构变化。

为进一步确认丝内的体积收缩，研究在瑞士光源（Swiss Light Source）的微束X射线衍射（μ-XRD）线站上，对经过EMT的150 nm厚多晶（V_0.95Cr_0.05)₂O₃薄膜器件进行了空间分辨的衍射 mapping。导电原子力显微镜（c-AFM）和拉曼 mapping 首先确认了丝状导电路径的存在。μ-XRD分析显示，丝内区域与丝外区域均仅出现刚玉结构的（104）、（110）和（113）布拉格衍射峰，未发现新相衍射峰，再次证实丝内相保持了等对称性（Isosymmetric）。精修的晶格参数图谱揭示了一个关键现象：在连接电极的丝状区域内，晶格参数a收缩了约-0.4%，而参数c却增加了约+0.15%，导致c/a比值升至约2.81——这正是V₂O₃薄膜中实现金属态的特征比值。总体而言，丝内六方晶胞的体积发生了约-0.6%的收缩。

这一结构演化模式与单纯焦耳加热后淬火（会导致晶胞体积膨胀）或化学计量比偏离（会导致a和c参数同时减小）的机制均不相符。相反，它与静水压力驱动的Mott绝缘体（PI）到金属（PM）的等对称性相变过程中的晶格变化惊人地相似：后者同样涉及a参数和晶胞体积的下降，以及c参数的反常增加。这种电场与压力刺激下结构响应的高度相似性，表明在电场脉冲引发的巨大电子激发过程中，晶格发生了压缩性响应。这一现象可以在可压缩哈伯德模型（Compressible Hubbard Model）的框架内理解：在一级绝缘体-金属转变发生时，电子的离域化会引发晶格体积的突然下降，以避免出现非物理的负体压缩系数情况。

结论与展望

本研究通过结合电子输运、μ-Raman和μ-XRD等多种空间分辨技术，确凿地证明了在典型Mott绝缘体（V_1-xCr_x)₂O₃中，电场触发的电阻开关与晶格的等对称性体积收缩直接相关，所形成的导电丝本质上是晶格受压的金属相。这一发现将电场诱导的莫特转变与压力调控的带宽控制Mott-Hubbard相变紧密联系起来，强调了晶格自由度在非平衡强关联系统动力学中的关键作用。类似的现象（电场诱导出通常仅在高压下稳定的相）也在VO₂等其它关联绝缘体中被观察到，暗示晶格压缩可能是Mott绝缘体在强电子激发下的一种普适性响应。此发现不仅深化了对非平衡Mott物理的理解，也为理性设计基于电阻开关的莫特存储器（Resistive Mott Memories）和神经形态计算（Neuromorphic Computing）组件等Mottronics应用提供了重要的科学依据。未来的理论工作需重点关注可压缩晶格上的非平衡哈伯德模型，以全面捕捉此类复杂相变的物理本质。