关于氧化钒特性研究

南京理工大学

关于氧化钒特性研究

学院:电子工程与光电技术学院

作者: 岳超李贺王贵圆黄伟

题目: 关于氧化钒特性研究

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2013 年 11 月

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目次

1 绪论 (1)

1.1摘要 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

2氧化钒晶体结构与特性 (2)

2.1V2O5晶体结构与特性 (2)

2.2VO2晶体结构与特性 (3)

2.3V2O3晶体结构与特性 (4)

2.4钒的各种氧化物的结构与特性比较 (4)

3 相变原理 (5)

3.1相变原理背景介绍 (5)

3.2 VO2的相变特性及理论 (5)

4氧化钒材料在红外探测中的应用 (7)

4.1红外探测器综述 (7)

4.1.1光子红外探测器 (8)

4.1.2热敏红外探测器 (9)

4.2氧化钒热敏薄膜研究 (11)

4.2.1测辐射热计热敏材料 (11)

4.2.2氧化钒热敏薄膜研究 (12)

总结 (15)

1 绪论

1.1摘要

V-O系是一个有多种化学计量配比化合物的系统,由于V的价态结构非常复杂，可以和氧结合形成以状态存在的多种氧化物以及它们的混合相。氧化钒种类很多，主要有V2O5,VO2,V2O3,VO等, 且常常共存，不同组分的氧化钒薄膜其电学性质有明显的不同。例如：单晶和多晶态的五氧化二钒具有较高的TCR（电阻温度系数）, 但其电阻率大,与微测辐射热计的外围电路不易匹配；而V2O3和VO 薄膜在室温下导体, 电阻率和TCR 都非常小. 相比之下，VO2薄膜在室温附近具有TCR 高, 电阻率小等特性,是制备测辐射热计的最佳热敏材料。

1.2国内外研究现状

20世纪90年代起，兰州物理研究所报道过VO2材料的制备方法研究，并利用它们作为热致变色薄膜材料。电子科技大学和重庆光电研究所合作报道了它们制备VO2膜的研究，主要用途为制作室温工作的红外传感器。华中科技大学光电国家实验室九五期间在国家科技部和863计划支持下国内研制了一系列钒的氧化物膜系，其中利用VO2薄膜材料研制了室温工作的红外传感器，达到下列技术指标：阵列规模：128 元线列；单元尺寸：50 ×50英寸；工作温度：室温；电阻温度系数(TCR):2%；噪声等效温差(NETD)：200 /mk。

并且，利用VO2为基的材料在MOS开关晶体管的研究方面，已完成原理性试验；在光开关的研究方面，已完成原理样片研究,并且基于光开关原理,研究了该材料在强激光防护方面的应用,在近红外光(1.06um)和远红外(10.6um)波段进行了抗强激光实

2，开关时间不高于1 us。验，测试结果表明：消光比为15左右，能量阈值为150 J/cm

美国Honeywell公司利用VO2为敏感红外线的薄膜材料，研制了320×240元室温工作的非制冷红外焦平面传感器，在20世纪90年代中期已经面市，被美国称为第三代红外传感器，开辟了红外技术在民用市场上的应用，目前每年以60%的市场增长率迅猛发展。加拿大国家光学研究院利用VO2和V2O5的半导体—金属态可逆转变，研制室温和高温应用的相变型光开关，美国纽约州先进传感技术和美国洛克威尔国际科学中心利用V02和V2O3的金属—绝缘体在强激光作用下可逆转变，研制高速抗强激光防护材料，在10.6um激光作用下，消光比达到20dB。

此外，氧化钒系化合物在其他领域的应用研究也很活跃，例如作为变色材料，空间光调制器，光存储器，光信息处理器等。

2氧化钒晶体结构与特性

钒是一种过渡金属元素，活化能比较高，在空气中金属钒可以和氧结合形成多种价态的氧化物。钒的价态可以从+2价到+5价之间变化，已经发现的钒的氧化物有十多种。其中，VO、VO2、V2O3和V2O5都是最常见也是最重要的几种氧化物。由于多种氧化物各自都具有优异的物理或化学性能，所以已被广泛地应用于光开关器件、可擦写存储器、薄膜电池、化学催化剂、热红外探测器等诸多领域。一般来说，材料的特性决定于其化学组成和结构，对于氧化钒这种复杂的体系，首先需要分别对主要的几种氧化物形态进行介绍。下面将分别介绍V2O5、VO2、V2O3的结构与特性。

2.1V2O5晶体结构与特性

V2O5晶体具有层状结构，其结构如图2-1 所示。在这种结构中，钒所处的环境被视为是一个畸变四方棱锥体，钒原子与五个氧原子形成个钒—氧键。因此，V2O5的结构最易想象为VO4四面体单元通过氧桥结合为链状。两条这样的链彼此以第五个氧原子通过另一氧桥连接成一条复链，从而构成起皱的层状排列。若从另一层中引入第六个氧原子，使各层连接起来，这样最终便构成了一个V2O5晶体。这种由六个氧原子所包围的钒原子是一个高度畸变了的八面体。

图2-1 V2O5晶体结构

V2O5在257℃左右能发生从半导体相到金属相的转变。薄膜态的V2O5通常是缺氧的n型半导体金属氧化物。当V2O5晶体处于半导体相时，禁带宽度为2.24eV，且具有负的电阻温度系数。V2O5多晶薄膜在室温附近电阻率一般大于100Ω•cm，甚至达到1000Ω•cm，这取决于薄膜的制备条件，并且V2O5多晶薄膜在可见光和近红外区域(波长小于2um)比VO2透过率要高。在相变前后V2O5薄膜的电阻率可以发生几个数量级的变化，同时伴随光学特性的显著变化。

2.2VO2晶体结构与特性

常温下, VO2薄膜呈现半导体状态，具有单斜晶格结构，对光波有较强的透射能力，当薄膜温度在外界条件促使下升高到一定温度68C时，薄膜原始状态迅速发生变化，此时VO2薄膜显示金属性质，由低温半导体相转变成高温金属相，晶体结构由低温单斜结构向高温金红石结构转变，是四方晶格结构，内部V—V共价键变为金属键，呈现金属态，自由电子的导电作用急剧增强，光学特性发生明显的变化，而且这种变化是可逆的，同时这种变化在电和光特性中伴随有较大的变化。

图2-2为沿[011]方向堆VO2的晶体结构。在VO2的结构中，由距离不同的V-O键构成一个VO6单元。钒原子明显地与一个氧原子较为接近，而与其它氧原子的距离较远，因此具有一个接近于V=O的键。

图2-2沿[011]方向堆VO2的晶体结构

VO2薄膜在68℃发生相变，伴随着这个相变，它从四角金红石变化到单斜对称的畸变的金红石结构。图2-3和2-4分别为二氧化钒的高温相和低温相结构。

图2-3 VO2的高温相结构图2-4 VO2的低温相结构