CASTEP氧化钒相变特性理论研究(2)

菜单

总结 25

致谢 26

参考文献 27

1 绪论

1.1 课题背景介绍

红外探测技术是信息获取的主要手段之一,能对外界红外光辐射产生响应。与前两代致冷型光子红外探测器相比,第三代非致冷热敏红外探测器由于在室温下工作,无需制冷,因此在系统成本、重量、功耗和可靠性等方面都具有明显优势。二氧化钒作为构成第三代非致冷热敏红外探测器重要材料之一,具有高的TCR,合适的电阻率,低的热导率及相变温度接近室温等优点,受到研究人员的广泛关注。

1959年,F.J.Morin在实验中发现了一些烦的氧化物能够具有十分特别的特性:在一定的温度内,随着温度的逐渐升高,氧化钒发生从非金属(或半导体)到金属性质的突变[1],同时在其内部晶体结构有向对称程度较低的结构转化的趋势[2]。在所有不同价态的钒氧化物里，二氧化钒的相变特性最为突出。在相变前后,VO2的物理性质发生了巨大的变化，比如材料的电导率、光学折射率、光吸收、固体比热以及磁化率等等，且VO2的相变温度为68℃，比较接近室温[3]。这些较为优异的特性让VO2在诸多科学领域中有着很大的潜在的应用价值,例如:快速光电开关[4]、光存储器[5]、智能窗口[6]等，因此人们引起了对二氧化钒以及其他钒氧化物研究的兴趣。

随着科技的日益发展，越来越多的钒氧化物材料受到了科学家们的关注，现在钒氧化物被发现的主要有：二氧化钒、五氧化二钒、一氧化钒和三氧化二钒，他们各自有不同的空间排列和晶体结构，因此它们的电学、光学性能具有很大的差异。目前，科学家们已经研究出他们的相变临界温度，如表1-1所示。

表1-1 不同相的钒氧化物的相变温度

钒氧化物 VO VO2 V2O3 V2O5 V3O5

相变温度（K） 110 340 155 531 420

近几十年来，伴随着计算机技术的发展，科学家们不断在新能源、新材料等领域所进行了更加深入而且透彻的探索，对钒氧化物材料取得了更加深入的了解。虽然如此，人们至今还未找到钒氧化物材料的热力学或晶体学上的相变机理原因，仍然有诸多困惑。钒元素是过渡金属元素，因此其具有多价特征，所以V—O所组成的体系是一个十分复杂的化合物系统，它的化学计量配比存在许多种形式。在一般环境中，+5价钒元素所组成的氧化物是钒氧化物体系中最高的氧化价态。因此，这些氧化物最稳定的是V2O5，而其他价态的氧化物一般都以混合相的形式存在，而且这些钒氧化物的制备工艺及制备条件都不尽相同，因此VOx的定义就是[7]：这种非晶或者多晶的多价态相混合的氧化物薄膜。在这些化合物中，应用最广泛的就是VO2，除了VO2薄膜具有显著的热致或光致突变，其最为重要的一点就是二氧化钒的相变温度接近室温，在68℃附近，因此，它是钒氧化物中最具有实际应用价值的钒氧化物。VO2的相变是高温的金属态转变为低温的半导体态，是一种高速且可逆的过程；在相变温度附近，VO2材料的物理、化学性质同时发生变化，而且它的晶体结构从单斜结构变为四方结构，它的电导率变化更可达104到106量级，还有在红外波段的光谱透射特性中，由高透变为高反。在相变的过程中，体积也会随之发生变化，这将会导致钒氧化物材料的开裂、易碎。如果将钒氧化物做成薄膜的形式，就可以避免上述问题。