氧非化学计量与18O同位素掺杂对氧化钒薄膜金属-绝缘体转变的协同调控机制研究

研究人员针对氧化钒(V2O3)薄膜中氧空位缺陷与同位素效应对金属-绝缘体转变(MIT)的协同调控机制展开研究，通过阴极电弧溅射法制备18O掺杂非化学计量薄膜，结合X射线衍射(XRD)、拉曼光谱等技术，揭示了氧缺陷浓度阈值对结构相变和MIT的抑制作用，并发现磁阻符号反转等新现象，为强关联材料性能调控提供新思路。

　　

氧化钒材料因其独特的金属-绝缘体转变(MIT)特性，在智能传感器和电子器件领域展现出巨大潜力。然而，氧化学计量比的微小变化会显著改变其电子结构，目前对氧空位缺陷与同位素掺杂的协同效应仍缺乏系统认知。更棘手的是，当氧缺陷超过临界浓度时，MIT现象会神秘消失，这一现象背后的微观机制尚未阐明。

克拉斯诺亚尔斯克科学中心基连斯基物理研究所（Kirensky Institute of Physics）的研究团队在《Thin Solid Films》发表创新研究，通过阴极电弧溅射法在¹⁸O同位素氛围中制备非化学计量V₂¹⁸O_3-x薄膜，结合多尺度表征技术揭示了氧缺陷调控MIT的临界阈值机制。研究采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，原子力显微镜(AFM)观测表面形貌，拉曼光谱追踪声子模式变化，并通过阻抗谱和磁输运测量探究电荷动力学行为。

材料与方法
研究团队使用97%富集的¹⁸O₂气氛，通过55A电弧电流溅射钒靶制备薄膜，沉积速率达16nm/min。通过调节氧分压精确控制氧空位浓度，采用卢瑟福背散射谱(RBS)定量分析同位素掺入比例，结合半经验晶格动力学模拟阐明声子谱变化。

相组成与表面形貌
XRD显示¹⁸O掺杂未引起晶格常数显著变化（<0.01%），但薄膜呈现(110)择优取向生长。原子力显微镜揭示晶粒尺寸（80-120nm）远超相干散射区域（15-20nm），表明存在显著晶界效应。

电输运特性
电阻-温度曲线呈现典型半导体行为，未观测到MIT转变特征。阻抗谱分析发现弛豫时间在180-220K区间出现异常，对应氧八面体畸变导致的局域态重组。特别值得注意的是，在特定温度下磁阻(MR)和磁阻抗(MI)发生符号反转，暗示自旋-轨道耦合作用的转变。

拉曼光谱分析
相较于标准V₂O₃的7个活性振动模(2A_1g+5E_g)，非化学计量薄膜出现E_g→A_g+B_g分裂（320/600cm^-1），但未检测到单斜相特征峰440cm^-1的磁振子信号，证实结构相变被完全抑制。

结论与意义
该研究首次证实：1)氧空位在V₂O₃中形成杂质子带，通过八面体畸变和空位多重态分裂破坏长程有序；2)¹⁸O同位素效应使声子谱红移，与缺陷协同作用导致MIT消失阈值浓度降低；3)发现的磁输运符号反转现象为新型自旋器件设计提供可能。这些发现不仅深化了对强关联体系缺陷物理的理解，更为功能氧化物薄膜的性能精准调控开辟了新途径。