Enhancing the semiconductor–metal phase transition temperature (TSMT) of VO2 is of great consequence for further exploring the potential applications of VO2 at elevated temperatures. In this study, Ge4+-doped VO2 (GexV1−xO2) samples were prepared by the hydrothermal and annealing approach. X-ray diffraction (XRD), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), differential scanning calorimetry (DSC) and resistivity–temperature (R-T) analyses were used to investigate the influence of Ge doping on the lattice structures and phase transition properties of GexV1–xO2 samples. We found that the lattice parameter of GexV1−xO2 decreased with the Ge concentration increasing from 2 at% to 18 at%, which was further supported by density functional theory (DFT)-based first-principle simulations. TSMT firstly increased from 64.5 to 73.0 °C at 8 at% Ge and then decreased to 71.5 °C at higher Ge concentration. Furthermore, DFT analysis revealed that the impact of lattice distortion induced by Ge doping rather than the changes in electronic structure is more pronounced on modulating TSMT of GexV1−xO2. The present work has pointed out the direction that the TSMT could be enhanced and illustrated the physical reason behind the regulation of TSMT in ions-doped VO2 systems. The d (logρ)/dT vs T curves are plotted for GexV1−xO2 (0≤x≤0.18) samples (a) un-doped VO2 ; (b) 2%; (c) 8%; (d) 18%, the transition temperatures upon heating, Th, and cooling, Tc. The difference between Th and Tc gives the hysteresis width, ΔTt, while the FWHM determines the sharpness of the semiconductor-to-metal transition

中文翻译：

---

通过 Ge 掺杂提高 VO2 的相变温度：结合实验和理论研究

提高 VO2 的半导体-金属相变温度（TSMT）对于进一步探索 VO2 在高温下的潜在应用具有重要意义。在这项研究中，Ge4+ 掺杂的 VO2 (GexV1−xO2) 样品是通过水热和退火方法制备的。X射线衍射（XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、差示扫描量热法（DSC）和电阻率-温度（RT）分析被用来研究Ge掺杂对晶格结构和相变特性的影响。 GexV1–xO2 样品。我们发现 GexV1−xO2 的晶格参数随着 Ge 浓度从 2 at% 增加到 18 at% 而降低，这得到了基于密度泛函理论 (DFT) 的第一性原理模拟的进一步支持。TSMT 首先从 64.5 增加到 73。0 °C 在 8 at% Ge 下，然后在更高的 Ge 浓度下降至 71.5 °C。此外，DFT 分析表明，Ge 掺杂引起的晶格畸变的影响而不是电子结构的变化对调节 GexV1-xO2 的 TSMT 的影响更为明显。目前的工作指出了可以增强 TSMT 的方向，并说明了在离子掺杂的 VO2 系统中 TSMT 调节背后的物理原因。d (logρ)/dT vs T 曲线是针对 GexV1-xO2 (0≤x≤0.18) 样品绘制的 (a) 未掺杂的 VO2 ；(b) 2%；(c) 8%；(d) 18%，加热时的转变温度 Th 和冷却时的转变温度 Tc。Th 和 Tc 之间的差异给出了滞后宽度 ΔTt，而 FWHM 决定了半导体到金属过渡的锐度 DFT 分析表明，Ge 掺杂引起的晶格畸变的影响而不是电子结构的变化对调节 GexV1-xO2 的 TSMT 的影响更为明显。目前的工作指出了可以增强 TSMT 的方向，并说明了在离子掺杂的 VO2 系统中 TSMT 调节背后的物理原因。GexV1−xO2 (0≤x≤0.18) 样品绘制了 d (logρ)/dT 与 T 的关系曲线 (a) 未掺杂的 VO2 ；(b) 2%；(c) 8%；(d) 18%，加热时的转变温度 Th 和冷却时的转变温度 Tc。Th 和 Tc 之间的差异给出了滞后宽度 ΔTt，而 FWHM 决定了半导体到金属过渡的锐度 DFT 分析表明，Ge 掺杂引起的晶格畸变的影响而不是电子结构的变化对调节 GexV1-xO2 的 TSMT 的影响更为明显。目前的工作指出了可以增强 TSMT 的方向，并说明了在离子掺杂的 VO2 系统中 TSMT 调节背后的物理原因。d (logρ)/dT vs T 曲线是针对 GexV1-xO2 (0≤x≤0.18) 样品绘制的 (a) 未掺杂的 VO2 ；(b) 2%；(c) 8%；(d) 18%，加热时的转变温度 Th 和冷却时的转变温度 Tc。Th 和 Tc 之间的差异给出了滞后宽度 ΔTt，而 FWHM 决定了半导体到金属过渡的锐度 目前的工作指出了可以增强 TSMT 的方向，并说明了在离子掺杂的 VO2 系统中 TSMT 调节背后的物理原因。d (logρ)/dT vs T 曲线是针对 GexV1-xO2 (0≤x≤0.18) 样品绘制的 (a) 未掺杂的 VO2 ；(b) 2%；(c) 8%；(d) 18%，加热时的转变温度 Th 和冷却时的转变温度 Tc。Th 和 Tc 之间的差异给出了滞后宽度 ΔTt，而 FWHM 决定了半导体到金属过渡的锐度 目前的工作指出了可以增强 TSMT 的方向，并说明了在离子掺杂的 VO2 系统中 TSMT 调节背后的物理原因。d (logρ)/dT vs T 曲线是针对 GexV1-xO2 (0≤x≤0.18) 样品绘制的 (a) 未掺杂的 VO2 ；(b) 2%；(c) 8%；(d) 18%，加热时的转变温度 Th 和冷却时的转变温度 Tc。Th 和 Tc 之间的差异给出了滞后宽度 ΔTt，而 FWHM 决定了半导体到金属过渡的锐度