離子摻雜對二氧化釩結構穩定性和性能的影響

《離子摻雜對二氧化釩結構穩定性和性能的影響》是依託北京理工大學,由李靜波擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

  • 中文名:離子摻雜對二氧化釩結構穩定性和性能的影響
  • 外文名:Effect of Ion doping on the structural stability and properties of vanadium dioxide
  • 依託單位:北京理工大學
  • 項目負責人:李靜波
  • 項目類別:面上項目
項目摘要,結題摘要,

項目摘要

二氧化釩(VO2)因其諸多優異的相變功能特性,在國防和民用領域具有廣泛的套用前景。摻雜對VO2相變行為影響顯著,是改善其功能特性的重要技術手段。目前,有關摻雜影響VO2結構穩定性的研究結果較離散、缺乏規律性,摻雜對VO2結構穩定性影響的作用機制尚不清晰,嚴重製約了VO2性能潛力的充分發揮。本課題擬採用不同尺寸的高價離子、低價離子和等價離子對VO2進行摻雜,通過調節摻雜導致的離子尺寸效應和載流子摻雜效應,系統研究各類摻雜離子影響VO2結構穩定性的作用機制,並結合第一性原理計算,揭示摻雜型VO2的相變機理;構築摻雜離子濃度—溫度的VO2相關係圖;在此基礎上,進一步系統研究摻雜離子對VO2電學和光學性能及熱調製光電特性的影響,建立材料成分-結構-性能間的關係,形成VO2合金化思路,探索新型VO2功能材料,為VO2功能材料的開發和套用提供理論和實驗依據。

結題摘要

根據項目計畫,研究了氧空位、高價陽離子摻雜(W6+、Mo6+、Nb5+)、低價陽離子摻雜(Fe3+、Al3+、Cr3+、Mg2+、Cu+)、等價離子摻雜(Sn4+、Ti4+、Zr4+)和複合離子(W6+/Sn4+和W6+/Mg2+)共摻雜對VO2相變和光、電性能的影響;利用第一性原理計算,研究外電場和W摻雜影響VO2相變的機理;最佳化水熱法和磁控濺射法製備VO2薄膜的工藝,研究襯底對VO2薄膜組織和性能的影響規律和機理;利用水熱法製備超細VO2納米粉體,開展柔性熱致變色薄膜的研究;研究了兩種釩氧化物納米材料的儲鋰儲鈉性能。研究發現,氧空位引入缺陷能級,使價帶邊產生拖尾,導致能隙變窄,使VO2的相變溫度降低;高價離子有效降低了VO2的相變溫度,但是較嚴重地損傷了VO2的電/光調製性能;低價陽離子摻雜,離子尺寸效應和霍爾摻雜效應相互競爭,當離子尺寸大於V4+時,大的離子尺寸使VO2相變溫度降低,然而霍爾摻雜效應使相變溫度升高,摻雜VO2的相變溫度表現出不同的變化規律;等價離子摻雜增加VO2光學帶隙的寬度、降低VO2在可見光波段的折射率和消光係數,提高了VO2的可見光透過率;W+Sn共摻顯著提高了W-VO2的可見光透過率,同時基本不改變摻雜VO2的相變溫度,改善了薄膜的熱致變色性能;W+Mg共摻雜,因為Mg離子對W離子的電荷補償作用,顯著提高了摻雜VO2的相變溫度;外加電場有效地驅動了VO2相變,氧空位和W摻雜均降低了驅動相變的電場強度;無外加電場時,金屬態W-VO2的電導率低於純VO2,隨電壓升高,W-VO2的電導率逐漸增大高於純VO2的電導,並達到飽和,表明W摻雜可能引入了局域d電子,外加電場起到激發局域電子的作用;第一性原理計算證明了W摻雜導致鄰近的V離子d電子態密度增大,誘發d//軌道劈裂,導致局域V-V二聚化,支持了Mott-Hubbard作用誘導Peierls轉變的相變機理假設,外電場起到抑制V離子d//軌道劈裂的作用,從而實現驅動VO2相變;利用水熱法首次得到具有規則幾何圖案的納米網狀結構VO2外延薄膜,提出了基底誘導外延網狀VO2薄膜的水熱生長機制;形成了一步法製備M1相VO2納米粉體的水熱生長技術,實現了高分散、超細(小於40 nm)VO2納米粉體的批量製備;利用VO2納米粉製備的柔性節能貼膜表現出優異的熱致變色性能,具有很好的實用價值。

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