电子巡游态和局域态之间的相互转换是凝聚态物理中的重要物理现象，在材料中主要表现为电阻率跨越量级的变化，由此被称为绝缘体-金属转变。二氧化钒（VO₂）因其室温附近的绝缘体-金属转变特性以及与之伴生的热敏、光敏特性，在应用领域备受关注。还原反应能在VO₂中注入氧空位实现电子掺杂，是诱导VO₂电子态转变的有效手段之一，因此被广泛应用于功能物性的探索中。在VO₂中实现纳米尺度精确可控的还原反应将进一步拓展相关功能器件的应用前景，但受限于传统调控手段的空间精度，目前这一研究方向仍面临挑战。

       近年来，物理系于浦教授课题组一直聚焦于关联氧化物的物态调控研究。近期，他们展示了一种能够实现纳米尺度还原反应的调控手段：即利用高能电子束的短波长、高相干性和与材料间相互作用丰富的特点，控制VO₂纳米微区中氧空位的产生和迁移，并以此驱动VO₂发生结构相变及相应的绝缘体-金属转变。具体来说，电子束通过二次电子的形成在样品中产生内建电场，从而辅助VO₂中的氧离子跨过逃逸势垒，形成氧空位；并进一步促进氧空位的定向迁移，加速还原反应进程（图1a）。而电子束波长短、相干性高的特点可以将这一过程局限于纳米区域；利用这一手段，他们成功地在VO₂中实现了纳米精度的功能物性调控，展示了电子束诱导氧化物还原反应的新方案（图1b）。此外，电子束对VO₂还原反应的调控作用表现出强烈的取向依赖特性；结合电子显微学分析和理论计算，他们揭示了这一现象与不同VO₂暴露面的氧空位形成能密切相关；当氧空位形成能更低的晶面暴露于电子束辐照下时，将更易于诱发氧空位的产生和迁移，发生VO₂向V₂O₃的结构转变。这些结果证明了电子束诱导纳米尺度物态转变的可行性，并有助于厘清氧空位对VO₂结构和电子态转变的调控机制；此外这一手段也有望应用到更多材料体系中，为实现高空间精度的功能元器件设计提供了新思路。

图1 a：电子束调控VO₂纳米尺度物态转变的示意图；b：电子束调控尺度与其它常用手段的对比。

       该工作以“Artificially controlled nanoscale chemical reduction in VO₂ through electron beam illumination”为题发表在Nature Communications。清华大学于浦教授和香港中文大学朱骏宜教授为文章的通讯作者。清华大学水木学者张扬和香港中文大学研究生王玉璞为共同第一作者。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、博士后科学基金和香港研究资助局基金的资助，也受到了清华大学低维量子物理国家重点实验室、清华大学量子信息前沿科学中心等的支持。

       全文链接为：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39812-8