离子液体调控材料物性的研究进展_石佳建.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21050195-1基金项目:北京市自然科学基金(2214070);国家自然科学基金(52001012;62075245);北京市人才培养质量建设项目(19008021064);科技创新服务能力建设重点项目(19002020124)This work was financially supported by the Beijing Natural Science Foundation(2214070)，the National Natural Science Foundation of China(52001012，62075245)，the Beijing Talent Training Quality Construction Project(19008021064)，and the Key Projects of Capacity Construction of Science and TechnologyInnovation Service(19002020124)lbhethbtbueducnDOI:10.11896/cldb.21050195离子液体调控材料物性的研究进展石佳建，李宝河，息剑峰，刘丹，刘帅，王桂玲北京工商大学人工智能学院，北京 102488载流子浓度是影响材料特性的重要物理参量，通过电场调控材料的载流子浓度可以对材料的电学、磁学、光学甚至结构特性都产生非常重要的影响。静电场效应调控晶体管结构中的载流子浓度是改变凝聚态物质电子状态的重要手段，近几年，使用离子液体(Ionic liquid)作为晶体管的栅极电介质引起了广泛的关注。离子液体是电解质由可移动的阴阳有机离子构成，在室温下为液态的物质。将离子液体作为晶体管的栅极电介质可以形成双电层晶体管(Electric-double-layer transistors)对材料物性进行调控。离子液体调控的巧妙之处在于离子液体中的阳离子和材料中的电子形成的双电层结构本质上是一个纳米量级的平行板电容器，它具有极大的电容值，可以实现比普通晶体管更大范围的场效应调控。离子液体调控技术可以分为静电场调控和电化学调控。本文基于离子液体调控技术可以原位、大范围、可逆地调控材料载流子浓度的优点，主要综述了利用离子液体调控技术对薄膜结构相变、磁学特性、输运特性、热传导特性等物理性质调控的研究进展，并展望了离子液体调控技术在智能玻璃、人工神经网络器件等方向的未来应用。关键词离子液体调控结构相变输运特性物性调控中图分类号:TB34文献标识码:AA eview of Using Ionic Liquids to Control Materials PropertiesSHI Jiajian，LI Baohe，XI Jianfeng，LIU Dan，LIU Shuai，WANG GuilingSchool of Artificial Intelligence，Beijing Technology and Business University，Beijing 102488，ChinaCarrier density is an important factor that affects the physical properties of materials Tuning the carrier density by an electric field can have animportant impact on the electronic，magnetic，optical，or even structural properties of a material Controlling the carrier density in a transistorusing electric fields is an important approach for tuning the electronic states of condensed matter ecently，transistors using ionic liquids as gatedielectrics have attracted significant attention Ionic liquids are a type of aqueous electrolyte that conducts electricity through the movement of or-ganic cations and anions By using ionic liquids as gate dielectrics，an electric double-layer transistor can be fabricated for material-property con-trol The major advantage of ionic-liquid gating is that the electric double layer formed by the cations and electrons is essentially a nanoscale paral-lel-plate capacitor with a very large specific capacitance Ionic liquid technology can realise a wider tunable range of carrier density than traditionaltransistor technology With the rapid development of ionic liquid technology，two paradigms，electrostatic field-effect tuning and electrochemicaldoping，have been recently explored Based on several beneficial aspects of in situ，reversible，and large-scale tunability of the ionic liquid tech-nology，we herewith make a comprehensive review of the research progress on ionic-liquid-controlled structural transition，magnetic properties，electrical transport，and thermal conduction of thin films The future prospects of ionic-liquid-control technology for use in smart glass and artificialneural network devices have also been suggestedKey wordsionic liquid control，structural phase transition，transport properties，physical property control0引言材料中的载流子浓度是影响材料物性的关键参量之一1，而调控改变材料内部载流子的浓度会使材料的物理性质发生极大的变化，常见的载流子浓度调控手段有元素掺杂调控和静电场效应调控，通过元素掺杂可以大幅度改变材料内部的载流子浓度，但一般会不可避免地会破坏原有晶格的完整性，而且无法实现原位调控;利用静电场效应改变材料内部的载流子浓度可以不破坏材料晶体结构的完整性，但对材料内载流子浓度的调控幅度也相对较小。此外，在电场作用下材料内迁移的离子会引发晶格、电荷、轨道和自旋等自由度之间的相互作用，这使调控过程中的离子迁移过程也成为一个影响材料物理性质的重要因素。如何调控材料的载流子浓度和控制其内部的离子迁移过程成为科研人员们关注的重要研究领域，这时具有电荷密度调控范围大、电化学性能稳定、挥发性低、极性可调、效率高、能耗低等优点2-8 的离子液体门电压(Ionic liquid gating，ILG)电化学调控技术出现，启发了科研工作者的思路。离子液体门电压调控是直接利用离子液体和薄膜表面形成的双电层结构，在薄膜表面产生较高的电场，实现载流子的注入，通过离子的迁移进一步影响薄膜材料的结构发生转变，从而改变材料的性质9-19。离子液体门电压调控技术在功能材料光电特性(智能玻璃)、磁性调控(忆阻器)、人工神经突触、储氢材料以及化学燃料电池等众多研究领域都已得到了广泛的应用20-34。同时离子液体门电压调控技术可以通过电场控制材料磁性或者输运性质35-36，这一优势也为今后信息技术领域的发展提供了更多的可能性。本文介绍了通过离子液体门电压调控技术对不同类型材料的磁性、电输运性质、热导率以及光吸收等21050195-2物性的调控，同时展望了离子液体门电压调控技术的应用前景。1离子液体调控技术常见的调控手段如表 1 所示，针对不同的材料有其适合的调控手段，接下来分别介绍了不同调控手段的原理。首先气氛退火法37，通过使样品在具有还原性或者氧化性的化学环境中退火，来达到离子在材料中转移的目的，如通过阳离子替换及引入氧空位等方法进行载流子掺杂会破坏晶格势场的周期性，从而引入缺陷散射中心来对材料进行调控。其次电流诱导氧缺陷38，这种方法更为高效，其原理是高温退火法和电场调控法两者的结合，电流在薄膜中所产生的焦耳热可以使薄膜在局域升至很高的温度(约 600 K)，从而激活离子，再加上电流自带的电场，离子可以沿着导电通道向电极处转移，并在电极处释放到外界环境中，这在室温下就可以进行。最后在离子液体门电压调控39 之前一直利用的是场效应调控方式40，结构类似于电容器 MIS(金属-绝缘体-半导体;Metal-insulator-semiconductor，MIS)的三明治结构，电荷载流子通过外加电压在半导体沟道上积累，从而改变源极-漏极之间的沟道电导率，利用电场调节可逆可控载流子的浓度来改变材料的物理性质。表 1调控手段对照表Table 1Control means comparison table调控手段调控例子文献电流诱导产生缺陷Manca 等在 La07Sr03MnO3薄膜上施加小于5 V 的电压，形成的电流会对薄膜的氧含量进行可逆的调制 37气氛退火调控Jeen 等在氧海绵 SrCoOx薄膜中利用真空退火和纯氧退火，在较低的温度(200 300)下实现了可逆的 BM-P 相结构的拓扑学相变 38场效应调控Hong 等利用 WO3单层膜在面内电场下O2的流动，实现了 WO3x高低阻态的切换 39离子液体门电压调控Li 等利用离子液体门电压调控成功地向SruO3薄膜注入质子并实现了对其拓扑Hall 效应的调控 40而离子液体(Ionic liquid，IL)是由带不同极性电荷且能够自由移动的阴阳离子组成，在室温或接近室温下呈液态的物质，其结构和性质可以根据实验的需要来设计，比如，在N，N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧乙基)铵基双(三氟甲基磺酰)酰亚胺(DEME-TFSI)中，阳离子是 DEME+，阴离子是TFSI。离子液体调控技术正是在场效应晶体管结构原理的基础上把场效应晶体管结构中固态介电材料换成离子液体(见图 1a)。如图 1b 所示，在施加偏压时，离子液体中的阴阳离子分别富集在薄膜和栅极表面，形成双电层结构(Electricdouble layer，EDL)，而且这种结构可以被看作是两个电容器串联，这两个电容器极板之间的距离只有分子尺度，使得离子液体具有超强的调控载流子的能力，同时可以通过改变样品面积和栅极的面积比例来进一步增强离子液体调控的力度。在双电层结构的内部产生非常强的电场，