作者簡介

陳吉堃，北京科技大學材料科學與工程學院教授。其分別于2008、2011、2014年在清華大學、中國科學院上海硅酸鹽研究所、瑞士蘇黎世聯邦理工學院獲得本、碩、博學位；隨后在美國哈佛大學、日本東京大學、日本京都大學做博后或訪問學者。主要從事半導體材料與器件研究，研究興趣包括：強關聯半導體材料與器件、亞穩相半導體材料與器件、熱電材料與微型熱電器件、III-V化合物與光電器件。入選國家級青年人才計劃、北京市科技新星、小米學者等人才計劃，承擔國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金面上項目、青年科學基金項目等科研項目二十余項；在

Nature Communications

Matter

Newton

Advanced Materials

電子相變材料的能帶結構可在特征溫度、極化電場、化學氣氛、壓力等外場觸發下發生可逆轉變，從而引起材料電學、光學等物理特性的突變式調控，在突變式敏感電阻、神經器件、熱致變色、電致變色、紅外偽裝、激光防護等方面具有應用前景。人們對金屬 - 絕緣體轉變等電子相變現象與原理的基礎研究可追溯至 20 世紀中期，其研究者中包括獲得 1977 年諾貝爾物理學獎的 Nevill Francis Mott 教授、 Philip Warren Anderson 教授等物理大師。此外，獲得 2019 年諾貝爾化學獎的 John B. Goodenough 教授早年在美國麻省理工學院林肯實驗室工作期間，也曾對二氧化釩等材料的金屬絕緣體相變原理進行了系統研究。

▲ (a) VO? 各同分異構體晶體結構示意圖；(b) VO? 金屬-絕緣體相變中的釩原子二聚化示意圖

與傳統的帶寬半導體相比，電子相變材料中的半導體相能帶起源更為復雜。除受傳統晶格周期勢影響外， d 軌道電子庫侖排斥能、自旋軌道耦合、電荷（軌道）有序等多重特殊機制在電子相變材料能帶結構中所起到的作用通常不可忽視且時常相互雜糅。因此，實際情況下材料發生電子相變現象背后的原理相比理想的莫特轉變、派爾斯轉變、安德森轉變等更為復雜，且存在爭議。其中，最為著名的當屬 二氧化釩金屬絕緣體 相變原理中的爭論，即在莫特轉變外，基于釩 - 釩二聚化的派爾 斯轉變 是否在二氧化釩金屬絕緣體相變中起作用至今仍無定論。

從材料體系看，已知的電子相變材料家族中已包含三十余種材料體系以及超過兩百種材料組分，涉及過渡族元素氧化物、 硫族化合物 、磷化物等；其相比傳統半導體材料體系，元素組成分布廣泛，晶體結構豐富多變，電子結構、 磁結構 紛繁復雜。而近年來，隨著極端條件下的材料合成技術的不斷發展，具有潛在電子相變特性的新材料體系依舊報道不斷。

▲ 已知電子相變材料體系中所涉及的過渡族金屬元素

此外， 21 世紀以來，人工智能技術的飛速發展開啟了依托大數據和人工智能技術大幅提高材料研發速度并降低研發成本的材料研究新范式探索。然而，鑒于電子相變材料體系的復雜性與特殊性，目前其相關的材料手冊與材料數據庫尚未充分建立，這對進一步結合大數據與人工智能技術變革其研究范式的探索提出了挑戰。

為更好地服務電子相變材料在人工智能與大數據時代背景下未來的基礎與應用研究， 《電子相變半導體材料手冊》對具有電子相變特性的已知材料體系進行了系統梳理。

• 首先，對電子相變中的經典原理、強關聯半導體能帶與特性、電子相變材料體系做簡要介紹。

• 其次，以周期表中具有相同 ( 或相近 ) 價電子數的同族元素為主線，對現有電子相變半導體材料家族中具有代表性 的釩基 ( Ⅴ B 族 ) 化合物、鎳基 ( Ⅷ族 3d) 化合物、鐵基 ( Ⅷ族 3d) 化合物、 鈷基 ( Ⅷ族 3d) 化合物、 鉑系 ( Ⅷ族 4d/5d) 化合物、 鈦基 ( Ⅳ B 族 ) 化合物、 錳基 ( Ⅶ B 族 ) 化合物、Ⅵ B 族化合物，Ⅰ B ～ Ⅲ B 族化合物、有機聚合物等體系的材料結構以及電子相變特性逐一進行系統介紹。

• 最后，針對電子相變材料中重要體系的材料生長以及潛在應用做簡要介紹。

電子相變半導體材料手冊

陳吉 堃 著 . 北京 : 科學出版社 ,2025. 1

本書系統總結具有電子相變特性的過渡族化合物半導體材料體系，詳細介紹其晶體結構、電輸運與磁性、電子 相轉變 原理、材料合成與潛在應用等。全書共 12 章，其中

• 第 1 章總述現有電子相變材料體系以及常見電子相變原理。由于具有相同的價電子數的過渡族元素的化合物中的軌道構型具有一定相近性，

• 第 2 ～ 11 章將進一步按照副族周期元素對三十余種電子相變半導體材料進行分類闡述，主要包括：以釩為代表的 Ⅴ B 族化合物 ( 第 2 章 ) ，以鎳、鐵、鈷為代表的 Ⅷ 族 3d- 化合物 ( 第 3 ～ 5 章 ) ， Ⅷ 族 4d/5d 鉑系化合物 ( 第 6 章 ) ，以鈦為代表的 Ⅳ B 族化合物 ( 第 7 章 ) ，以錳為代表的 Ⅶ B 族化合物 ( 第 8 章 ) ，鉻、 鉬 、鎢等 Ⅵ B 族化合物 ( 第 9 章 ) ，銅、銀、金、稀土等 Ⅰ B ～ Ⅲ B 族化合物 ( 第 10 章 ) 、有機聚合物 ( 第 11 章 ) 等材料體系。

• 第 12 章針對 二氧化釩、稀土鎳基氧化物等具有優異電子相變特性的重要體系，從材料合成與應用角度進行簡要闡述。

在本書之外，筆者依托國家材料基因工程數據匯交與管理服務平臺建立了關于電子相變材料的數據庫，進一步為現有電子相變材料的組分與晶體結構、電 - 光 - 磁等物理突變特性、電子相變原理與觸發機制等提供檢索功能。希望本書及所建立的相應數據庫能夠為電子相變的基礎研究與新體系探索提供數據支撐，并同時為面向應用的電子相變材料選擇與設計提供關鍵依據。

本研究得到國家重點研發計劃“稀土基新型電子相變半導體與敏感電阻器件” (2021YFA0718900) 項目的支持。

本文摘編自《 電子相變半導體材料手冊 》（ 陳吉 堃 著 . 北京 : 科學出版社 ,2025. 1 ）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

責任編輯： 陳艷峰 孔曉慧

本書系統總結具有電子相變特性的過渡族化合物半導體材料體系，詳細介紹其晶體結構、電輸運與磁性、電子 相轉變 原理、材料合成與潛在應用等。本書可供從事半導體材料、凝聚態物理等領域基礎研究的學者 參考，同時也可為電子器件、敏感電阻器件、光學器件等技術應用中的關鍵性材料選擇提供依據。

（本文編輯：劉四旦）

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