VO2材料研究进展

VO2材料最新研究进展

陈宗德201121220007 核科学与技术学院

摘要：VO2是一种具有特殊相变性能的功能材料。随着温度的变化，该晶型会发生半导体态与金属态的可逆变化，同时，电阻和红外透射率等物理性质也发生突变，其相变点在68"C附近。这些优异的特性使得VO2材料在新型热敏器件、光敏器件、光电开关和红外探测等领域都有着广阔的应用前景。

关键字：VO2 相变特性热敏电阻辐射探测

Abstract：VO2 is a kind of functional phase changing material．With the change in temperature, its structure will appear the irreversible semiconductor-metal state transition, at the same time，the mutations of resistance，infrared transmission, and other physical natures will occur, the phase transition point is in the vicinity of 68℃．Moreover, it is discovered that VO2 phase transition can also be induced by changing applied electric field. The excellent transition feature brings series of valuable applications to VO2 in new thermal and photosensitive devices, photoelectric switches and infrared detector areas.

Key words: VO2phase changing the mutations of resistance infrared detector

1. 引言

1958年，科学家F．J．MorinⅢ在贝尔实验室发现钒和钛的氧化物具有一种特殊的现象：随着温度的降低，在一定的温区内材料会发生从金属性质到非金属性质的突然转变，同时还伴随着晶体向对称程度较低的结构转化。接着，其它一些过渡元素金属如钨、铌、铁、镍、铬的化合物也被相继发现具有这种性质[1]。这些化合物包括：Ti2O3，Ti3O5，Ti5O9，Fe203，Fe304，V509，FeSi2，CrS，NbO2，NiS等。其中最引人注目的是一批低价钒氧化物，它们的临界相变温度如表1所示。

表1钒氧化物的相变温度

VO2是众多钒氧化物中研究得最多的一种，不仅是因为VO2显著的突变性质，更重要的是其相变温度在68℃，最接近室温，因而最具有实用潜力。VO2在低温半导体和高温金属态之间的变化是一种高速可逆相变。当升温达到相变点时，材料的结构和性能同时在纳秒级时间范围内发生突变，晶体由单斜转变为四方，其电阻可突变，红外波段光谱特性由高透射变为高反射。因而可以被广泛应用于热开关、温度传感器、信息存储以及大面积玻璃幕墙等领域。国内外近年来对VO2的应用基础研究热潮方兴未艾，薄膜变色开关器件是主要的研究方向。V02的光电转换性能已经用于热触发电转换器、电致变色和光致变色装置、热敏传感器和透明导体的研制。优良的VO2薄膜红外波段两态透射率可分别达到85％和1％，可用于研制近红外的全光网络光开关。安装在红外光电传感器及光电探测器窗口，阻止大功率激光或热红外波损害的光学系统和光学元件也在开发之中。

2. VO2 的相变特性及机理

(1) VO2 的相变特性

前文已经叙述了VO2 材料是一种热致相变材料，在相变前后它的电学特性会发生突变，如电阻率ρ 的变化幅值可高达102~104 倍[4]，而其光学特性如折射率n、反射率R 以及对入射光的透过率T、吸收率A 也会发生显著的变化，尤其在红外波段这种现象更加明显。

一般认为VO2 材料的相变温度为68℃(340K) [2]附近，从低温加热至高温下

发生的相变温度点，和从高温冷却至低温下的相变温度点并非相同的，而是会存在一定的温度差，一般为2~6℃。曾有人具体做过了实验，证实了VO2 的电阻率、对红外光透过率等参数在加热升温和冷却降温的曲线并不重合，而是呈滞回线状，类似磁性材料的磁滞回线，如图1 为VO2 电阻率与温度的变化曲线，图2 为VO2 对红外光透过率与温度的变化曲线(此图中入射光的频率固定不变)。

图1 VO2 电阻与温度的关系

图2 VO2 透过率与温度的关系

当给VO2材料加热，温度升高到63℃以后，电阻值会随温度的升高迅速减小。而当温度升高到76℃之后，电阻随温度的升高而下降的速度又开始减慢。此时如果反向降温，电阻又逐渐增大，当温度小于72℃时，电阻随温度下降而上升的速度加快，当降低到小于56℃时，电阻的增加速度又开始变慢。温度进一步降低，电阻恢复到原来低温状态时的值[5]。透过率亦有着类似的滞回特性。

VO2是目前已知相变材料中相变温度(Tc)较接近室温的材料，而且其相变温度可通过掺杂进行调整，掺入高价态离子(如Nb5+、Ta5+、W6+等)可降低其温度，掺入低价态离子(如Al3+、Cr3+、Fe3+等)可提高其相变温度[6]，其相变温度点可以根据实际需要进行适当调整。

另外VO2 的相变过程是在纳秒(ns)时间内完成，可以瞬间重复可逆的变化，有着很高的空间分解能力[3]，通常不会导致宏观结构上的畸变和裂痕。VO2 薄

膜还具有热致变色和光致变色的特性[7]，相变前后，

VO2 薄膜的颜色将会发生明显的变化。另外不同组分的VO2 多晶薄膜的外观、颜色也不完全相同，因制备条件、组分百分比、膜厚等的不同而异，室温下通常呈现墨绿色、深褐色和蓝褐色等颜色。

(2) VO2 的相变机理

温度高于68。C时，具有四方金红石结构，表示为V02(R)，如图3所示。温度低于68。C时，则具有单斜结构，表示为V02(M)，其晶体结构如图4所示。

图3 V02的四方金红石结构成键情况

图4 V02(M)的单斜结构键长