"Hydrogen stabilization of metallic vanadium dioxide in single-crystal nanobeams". J. Wei, H. Ji, W. Guo, A. H. Hevidomskyy, D. Natelson. NATURE NANOTECHNOLOGY. In press. DOI: 10.1038/nnano.2012.70
Vanadium dioxide is a strongly correlated material that undergoes a metal–insulator transition
from a high-temperature, rutile metal to a monoclinic insulating state
at 67 °C. In recent years, experiments on single-crystal
vanadium-dioxide nanowires grown by physical vapour deposition have shed light on the crucial role of strain in the structural and electronic phase diagram of this material, including evidence for a new M2 phase,
but the detailed physics of this material is still not fully
understood. The transition temperature can be reduced by doping with
tungsten,
but this process is not reversible. Here, we show that the
metal–insulator transition in nanoscale beams of vanadium dioxide can be
strongly modified by doping with atomic hydrogen using the catalytic spillover method.
We also show that this process is completely reversible, and that the
metal–insulator transition eventually vanishes when the doping exceeds a
threshold value. Raman and conventional optical microscopy, electron
diffraction and transmission electron microscopy provide evidence that
the structure of the metallic post-hydrogenation state is similar to
that of the rutile state. First-principles electronic structure
calculations confirm that a distorted rutile structure is energetically
favoured following hydrogenation, and also that such doping favours
metallicity from both the Mott and Peierls perspectives. We anticipate
that hydrogen doping will be a powerful tool for examining the
metal–insulator transition and for engineering the properties of
vanadium dioxide.
El dióxido de vanadio es un material fuertemente correlacionado que a altas temperaturas experimenta una transición metal-aislante, de rutilo metálico a un estado aislante monoclínico a 67°C. En los años recientes, experimentos hechos en nanoalambres monocristalinos de dióxido de vanadio, crecidos mediante depósito físico de vapor, han mostrado que la presión desempeña un papel crucial en el diagrama de fase estructural y electrónico de este material, que incluso incluyen evidencia de una nueva fase M2, pero la física detallada de este material hasta el momento no se encuentra completamente entendida. La temperatura de transición puede ser reducida contaminándolo con tungsteno, pero esto proceso no es reversible. Aquí se muestra que la transición metal-aislante, en haces nanométricos de dióxido de vanadio, puede modificarse fuertemente a contaminando con hidrógeno atómico mediante el método de spillover catalítico. También se muestra que este proceso es completamente reversible, y que la transición metal-aislante desaparece eventualmente cuando los contaminantes exceden un valor umbral. La microscopia Raman y la microscopia óptica convencional, la difracción de electrones y la microscopia electrónica de transmisión proporcionan evidencia de que la estructura del estado metálico posthidrogenado es semejante a aquel del estado rutilo. Los cálculos de primeros principios sobre la estructura electrónica confirman que un estructura distorsionada de rutilo es favorecida energéticamente por la hidrogenación, y también que tal contaminación favorece a las propiedades metálicas bajo los esquemas tanto de Mott como de Peierls. Se anticipa que la contaminación con hidrógeno puede ser una herramienta poderosa para examinar la transición metal-aislante y para el diseño de las propiedades del dióxido de vanadio.
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