异质界面通过带电物质的重新分布来平衡化学势，具有独特的现象。尽管已经对跨化学惰性界面的电子电荷进行了一定研究，但迄今为止，研究带电离子大量重构的系统研究仅限于具有化学反应界面的异质结构。近日，韩国浦项科技大学Junwoo Son教授等人研究通过氧离子在TiO₂/VO₂异质界面上的定向传输驱动，成功演示了在异常低温下（迄今为止报道最低温度）合成高质量单晶金红石型TiO₂外延膜的过程。

文章要点：

1）研究人员首先在TiO₂生长之前，通过脉冲激光沉积在（001）取向TiO₂衬底上制备厚度为12 nm的VO₂模板的衬底。然后，在相同的氧气压力（pO₂~12 mTorr）下，在低T_G（150°C）的条件下，在两个基板上生长6 nm厚的TiO₂膜：（001）没有VO₂模板层的TiO₂单晶（表示为为TiO₂/TiO₂）；具有VO₂模板的（001）TiO₂单晶（表示为TiO₂/VO₂ /TiO₂）。

2）通过比较TiO_x(x<2)/TiO₂和TiO₂/VO₂ /TiO₂的截面高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，可以局部观察VO₂模板基底上的金红石TiO₂薄膜的低温外延。该观察结果表明，只需在TiO₂衬底上引入VO₂模板，即可在150°C晶化外延金红石型TiO₂薄膜。通过VO₂模板中低角度环形暗场（LAADF）对比和电子能量损失谱（EELS）数据的组合结果证实了异质结构中TiO₂薄膜的低温外延生长过程中VO₂氧原子的大量缺失。

3）研究人员发现热力学驱动力沿着氧气通道的便捷离子路径，在通过界面时，降低了稳定核的激活势垒，并同时出现了金属TiO₂/VO₂异质结构，从而使TiO₂薄膜晶格中的配准更加完美。与典型的实验条件相反，该研究获得了具有更好的化学计量比的TiO₂。同时，在较低的外部pO₂下，V_O的形成减少了，这是因为在较低的外部pO₂下，化学势失配（Δμ_O）加速通过跨TiO₂/VO₂界面的内部氧传输显著增加了“有效”pO₂。

4）通过离子缺陷的调节，由Δμ_O控制的离子传输可能为设计界面处具有不同自由度的新异质结构提供了机会。同时，还可以简单地通过与具有不同离子缺陷的热力学和动力学驱动力的异种材料连接来稳定需要热能的相。

Park, Y., Sim, H., Jo, M. et al. Directional ionic transport across the oxide interface enables low-temperature epitaxy of rutile TiO₂. Nat Commun 11, 1401 (2020).

DOI：10.1038/s41467-020-15142-x

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15142-x