北科大陈吉堃教授：建立电子相变材料手册与数据库，助力基础研究与新体系探索

作者简介

陈吉堃，北京科技大学材料科学与工程学院教授。其分别于2008、2011、2014年在清华大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、瑞士苏黎世联邦理工学院获得本、硕、博学位；随后在美国哈佛大学、日本东京大学、日本京都大学做博后或访问学者。主要从事半导体材料与器件研究，研究兴趣包括：强关联半导体材料与器件、亚稳相半导体材料与器件、热电材料与微型热电器件、III-V化合物与光电器件。入选国家级青年人才计划、北京市科技新星、小米学者等人才计划，承担国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目等科研项目二十余项；在

Nature Communications

Matter

Newton

Advanced Materials

电子相变材料的能带结构可在特征温度、极化电场、化学气氛、压力等外场触发下发生可逆转变，从而引起材料电学、光学等物理特性的突变式调控，在突变式敏感电阻、神经器件、热致变色、电致变色、红外伪装、激光防护等方面具有应用前景。人们对金属 - 绝缘体转变等电子相变现象与原理的基础研究可追溯至 20 世纪中期，其研究者中包括获得 1977 年诺贝尔物理学奖的 Nevill Francis Mott 教授、 Philip Warren Anderson 教授等物理大师。此外，获得 2019 年诺贝尔化学奖的 John B. Goodenough 教授早年在美国麻省理工学院林肯实验室工作期间，也曾对二氧化钒等材料的金属绝缘体相变原理进行了系统研究。

▲ (a) VO₂ 各同分异构体晶体结构示意图；(b) VO₂ 金属-绝缘体相变中的钒原子二聚化示意图

与传统的带宽半导体相比，电子相变材料中的半导体相能带起源更为复杂。除受传统晶格周期势影响外， d 轨道电子库仑排斥能、自旋轨道耦合、电荷（轨道）有序等多重特殊机制在电子相变材料能带结构中所起到的作用通常不可忽视且时常相互杂糅。因此，实际情况下材料发生电子相变现象背后的原理相比理想的莫特转变、派尔斯转变、安德森转变等更为复杂，且存在争议。其中，最为著名的当属 二氧化钒金属绝缘体 相变原理中的争论，即在莫特转变外，基于钒 - 钒二聚化的派尔 斯转变 是否在二氧化钒金属绝缘体相变中起作用至今仍无定论。

从材料体系看，已知的电子相变材料家族中已包含三十余种材料体系以及超过两百种材料组分，涉及过渡族元素氧化物、 硫族化合物 、磷化物等；其相比传统半导体材料体系，元素组成分布广泛，晶体结构丰富多变，电子结构、 磁结构 纷繁复杂。而近年来，随着极端条件下的材料合成技术的不断发展，具有潜在电子相变特性的新材料体系依旧报道不断。

▲ 已知电子相变材料体系中所涉及的过渡族金属元素

此外， 21 世纪以来，人工智能技术的飞速发展开启了依托大数据和人工智能技术大幅提高材料研发速度并降低研发成本的材料研究新范式探索。然而，鉴于电子相变材料体系的复杂性与特殊性，目前其相关的材料手册与材料数据库尚未充分建立，这对进一步结合大数据与人工智能技术变革其研究范式的探索提出了挑战。

为更好地服务电子相变材料在人工智能与大数据时代背景下未来的基础与应用研究， 《电子相变半导体材料手册》对具有电子相变特性的已知材料体系进行了系统梳理。

• 首先，对电子相变中的经典原理、强关联半导体能带与特性、电子相变材料体系做简要介绍。

• 其次，以周期表中具有相同 ( 或相近 ) 价电子数的同族元素为主线，对现有电子相变半导体材料家族中具有代表性 的钒基 ( Ⅴ B 族 ) 化合物、镍基 ( Ⅷ族 3d) 化合物、铁基 ( Ⅷ族 3d) 化合物、 钴基 ( Ⅷ族 3d) 化合物、 铂系 ( Ⅷ族 4d/5d) 化合物、 钛基 ( Ⅳ B 族 ) 化合物、 锰基 ( Ⅶ B 族 ) 化合物、Ⅵ B 族化合物，Ⅰ B ～ Ⅲ B 族化合物、有机聚合物等体系的材料结构以及电子相变特性逐一进行系统介绍。

• 最后，针对电子相变材料中重要体系的材料生长以及潜在应用做简要介绍。

电子相变半导体材料手册

陈吉 堃 著 . 北京 : 科学出版社 ,2025. 1

本书系统总结具有电子相变特性的过渡族化合物半导体材料体系，详细介绍其晶体结构、电输运与磁性、电子 相转变 原理、材料合成与潜在应用等。全书共 12 章，其中

• 第 1 章总述现有电子相变材料体系以及常见电子相变原理。由于具有相同的价电子数的过渡族元素的化合物中的轨道构型具有一定相近性，

• 第 2 ～ 11 章将进一步按照副族周期元素对三十余种电子相变半导体材料进行分类阐述，主要包括：以钒为代表的 Ⅴ B 族化合物 ( 第 2 章 ) ，以镍、铁、钴为代表的 Ⅷ 族 3d- 化合物 ( 第 3 ～ 5 章 ) ， Ⅷ 族 4d/5d 铂系化合物 ( 第 6 章 ) ，以钛为代表的 Ⅳ B 族化合物 ( 第 7 章 ) ，以锰为代表的 Ⅶ B 族化合物 ( 第 8 章 ) ，铬、 钼 、钨等 Ⅵ B 族化合物 ( 第 9 章 ) ，铜、银、金、稀土等 Ⅰ B ～ Ⅲ B 族化合物 ( 第 10 章 ) 、有机聚合物 ( 第 11 章 ) 等材料体系。

• 第 12 章针对 二氧化钒、稀土镍基氧化物等具有优异电子相变特性的重要体系，从材料合成与应用角度进行简要阐述。

在本书之外，笔者依托国家材料基因工程数据汇交与管理服务平台建立了关于电子相变材料的数据库，进一步为现有电子相变材料的组分与晶体结构、电 - 光 - 磁等物理突变特性、电子相变原理与触发机制等提供检索功能。希望本书及所建立的相应数据库能够为电子相变的基础研究与新体系探索提供数据支撑，并同时为面向应用的电子相变材料选择与设计提供关键依据。

本研究得到国家重点研发计划“稀土基新型电子相变半导体与敏感电阻器件” (2021YFA0718900) 项目的支持。

本文摘编自《 电子相变半导体材料手册 》（ 陈吉 堃 著 . 北京 : 科学出版社 ,2025. 1 ）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

责任编辑： 陈艳峰 孔晓慧

本书系统总结具有电子相变特性的过渡族化合物半导体材料体系，详细介绍其晶体结构、电输运与磁性、电子 相转变 原理、材料合成与潜在应用等。本书可供从事半导体材料、凝聚态物理等领域基础研究的学者 参考，同时也可为电子器件、敏感电阻器件、光学器件等技术应用中的关键性材料选择提供依据。

（本文编辑：刘四旦）

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