掺杂对二氧化钒电学性能的影响

VO2是一种典型的相变型金属氧化物,相变温度为68℃,掺杂能有效地改变VO2的相变温度,且相变前后光、电性能变化幅度较大。该文采用水热法在制备的同时掺杂杂质离子制备VO2粉体,通过实验得出最优掺杂条件为:反应温度为180℃,反应时间为24 h,加入40%的HF体积比为1∶100,Ti4+离子掺杂量为4%,得到的VO2粉体相变温度为40℃,使VO2的相变温度降低了28℃。     

溅射氧化耦合法合成W掺杂VO2纳米薄膜及其光学性质

采用溅射氧化耦合法(SOC),在Al2O3(001)基底上成功制备了纳米尺度的W掺杂VO2薄膜.运用扫描电子显微镜(SEM)和光电子能谱仪(XPS)分别对薄膜的微观结构以及组分进行了分析;采用四探针测试仪测试了薄膜在不同温度下的方块电阻,从而确定了VO2和W掺杂VO2纳米薄膜的相变温度从341K下降到314K;最后利用紫外至红外光谱仪测试了薄膜在常温和高温下的透过率,并通过Film Wizard软件对薄膜的透过率进行拟合,获得了薄膜的光学折射率(n)和消光系数(κ)随光电子能量(E)变化的关系曲线.研究结果表明,随着W掺杂量的增加,W掺杂VO2纳米薄膜的半导体-金属相变温度逐渐下降,其光学折射率(n)和消光系数(κ)相比VO2薄膜也发生有规律的变化.     

热处理条件对VO_2粉体晶体结构和相变性能的影响

以V2O5和草酸为原料,采用高温热解前驱体法制备VO2粉体,并结合XRD分析和热致相变性能测定,研究热处理条件对VO2粉体晶体结构和相变性能的影响。结果表明,采用三段式升温制度,可制备晶化程度较高的VO2粉体。制备过程中,热分解温度的升高或热分解时间的延长,均会导致产物VO2粉体平均晶粒尺寸增大、平均晶格畸变率降低、相变滞豫区间减小以及电阻突变量增大,热处理过程中VO2晶粒生长和晶格畸变率变化主要受热分解温度的控制。     

微测辐射热计用VO2薄膜及其改性研究

二氧化钒(VO2)薄膜是目前微测辐射热计的首选材料,但其性能还有很大的提高空间,开展其改性研究具有重要意义。VO2薄膜改性旨在通过材料组分和结构的调控获得更好的性能,以满足高性能微测辐射热计应用的要求。目前改善VO2薄膜热敏电阻特性的主要方法是采用离子掺杂和新的形态结构(纳米和非晶)。文章介绍了VO2的基本结构及其在微测辐射热计上的应用,综述了离子掺杂、纳米及非晶结构VO2薄膜的研究现状,并提出了未来VO2薄膜改性研究的方向。     

非掺杂锐钛矿相TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理的LDA+U(U_(Ti)=5.8 eV)方法研究了Ti空位(V_(Ti))和O空位(VO)对非掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光学吸收性质的影响.研究表明V_(Ti)可以有效提升TiO_2体系对可见光的响应,而VO则不能.在双V_(Ti)体系,由于杂质能级数目的增多可降低TiO_2体系的有效禁带宽度,进一步提升了TiO_2在可见光区的吸收强度.在V_(Ti)和VO共存的TiO_2体系,由VO引入的两个电子占据了费米能级处的杂质能级会使体系的价带顶上移,同时由VO引入的杂质能级位于禁带之间可以作为价电子由价带向导带之间跃迁的桥梁,因此此种结构对可见光的响应是最好的,有效的提高了TiO_2半导体的光电转换效率和光催化能力.     

微波烧结制备掺杂纳米TiO2的Li1+xMxV3O8的研究

以LiOH·H2O、NH4VO3和TiO2为原料,采用微波烧结方法合成了掺杂纳米TiO2的Li1＋xMxV3O8材料。研究了掺杂量对电化学性能的影响。充放电实验、XRD、FTIR、荧光测试等现代手段被用于研究掺杂对样品充放电性能的改善作用。结果表明,当TiO2的掺杂量为0．1mol时,Li1＋xMxV3O8材料的电化学性能得到最佳改善。荧光测试表明,掺杂样品和未掺杂样品均具有发光性能。     

非磁性/磁性掺杂剂对SnO2体系的性能调控

本文通过第一性原理计算在GGA + U 框架下系统地研究了非磁性掺杂剂(Li)和磁性掺杂剂(V)以及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2基稀磁半导体(DMS)的稳定性、电子结构、键合性质、磁性以及光学性质. 计算得到的形成能结果表明, V元素单掺杂体系比Li元素单掺杂体系更稳定. 其中, VO存在的掺杂体系稳定性更高, 而VSn对掺杂体系的稳定性不利. 磁性分析表明, Li掺杂体系的磁矩大于V掺杂体系的磁矩. 当有点缺陷存在时, VSn的加入显著提高了掺杂体系的磁性, 而VO对非磁性金属元素/磁性金属元素掺杂体系的磁性影响不同：当VO存在于Li掺杂体系时, Li原子周围的O原子自旋极化减少, 因此导致磁矩降低;当V掺杂体系中有VO存在, 磁性不仅来源于V原子的自旋极化, 同时来源于VO周围的O原子的自旋极化,因此磁矩增大. 结合电子结构分析可知, Li掺杂体系的磁性是由O-p和Li-p轨道之间的双交换作用产生的, V掺杂体系的磁性是由O-p和V-d轨道之间的双交换作用产生的. 键合分析发现VO的存在可以提高两种金属掺杂体系键(Li-O和V-O)的共价性. 在可见光区域内, Sn15LiO32和Sn15VO32具有较高的光学透明度. 以上这些结果为非磁性金属元素(Li)和磁性金属元素(V)及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2在自旋电子器件中的应用提供了新的思路.     

应用Ti掺杂提高VO2薄膜太阳光红外能量调制能力

二氧化钒薄膜独特的半导体-金属相变特性使其在智能窗等领域有着广阔的应用前景。该研究采用直流反应共溅射技术沉积二氧化钒薄膜,通过调节Ti靶的放电电流,实现了VO_2薄膜不同量的Ti掺杂。并用X射线衍射仪、微区拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、分光光度计与四探针测量系统对样品微结构及相变特性进行表征,分析不同Ti掺杂量对VO_2薄膜微结构、表面形貌、相变温度、红外调制率的影响。研究结果表明,在Ti靶15 mA放电电流下掺杂的样品,太阳能调制能力有明显提高,达13.8%,但是过高的Ti掺杂则会使VO_2薄膜相变性能弱化甚至消失。     

采用超晶格结构实现C过量掺杂Ge2Sb2Te5材料的相变性能研究

研究了C过量掺杂Ge₂Sb₂Te₅^GST相变材料的相变特性与微观结构,制备了一系列包含周期性2nmC薄膜与GST薄膜的超晶格结构复合相变薄膜材料.研究发现,相变材料的相变性能与GST的厚度有较强的依赖关系,反映出C掺杂比例对GST相变性能的影响.随着GST厚度的逐渐降低,高温下C的自发扩散导致GST的掺杂效应逐渐增强,超晶格体系的非晶—晶态相变逐渐被抑制.在此结构中,过量的C掺杂导致体系越来越难以发生相变,甚至失去相变特性.同时,由于C-Ge、_C-Sb和C-Te键不稳定,多次可逆的非晶—晶态转变后体系将同时出现未掺杂的GST成分与C掺杂的GST的成分,因此有可能出现稳定的三相.最后,制备了基于[GST(8nm)/C(2nm)]₅相变薄膜的相变存储器件,器件的测试结果证实体系能够出现稳定的三电阻态.</sup>     

良好结晶VO2(A)纳米杆的相变、电学和光转变特性

在VO2-草酸体系中,利用一步水热合成法制备结晶良好的VO2(A)纳米杆.成品的结构和尺寸分别通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征.差示扫描量热(DSC)曲线显示在加热过程中VO2的相转变温度为167.8 ℃.变温X射线衍射(XRD)图谱显示加热时VO2(A)在160~180 ℃发生相变.温度升高到450 K时,磁化率突然增加.使用4探针法测量VO2(A)样品的电阻率,滞后现象显示VO2(A)的相变为1级相变.根据阿仑尼乌斯曲线,得出低温VO2(AL)和高温VO2(AH)的活化能分别为0.39 eV和0.37 eV.变温红外光谱显示VO2(A)纳米杆在红外区域具有良好的光学转换特性,此特性与VO2(A)的可逆结构转变有关.研究结果表明VO2 (A)纳米材料可应用于红外开关装置.     

二氧化钒太赫兹辐照温度自限制效应研究

温度自限制效应能够使物体在辐照光强变化的条件下,仍能保持稳定的温度.本文提出一种能够在太赫兹辐照下保持温度自限制效应的微粒设计.这一设想利用二氧化钒(VO2)在相变温度附近能够发生剧烈的光学性质变化,从而使微粒的温度产生自适应调节,最终在较宽的太赫兹辐照光强范围内,使粒子温度维持在相变温度附近.为了验证这一设计,我们利用米氏理论对VO2微粒的光热效应进行了理论分析.计算结果表明,改变粒子尺寸可以有效地调节VO2的太赫兹吸收特性.在合适的粒子尺寸下,相变后VO2粒子对太赫兹的吸收可以迅速降低,有助于粒子温度在很宽的辐照强度范围内维持在相变温度附近,不随辐照强度的增加而显著上升.这些结果为实现具有太赫兹辐照温度自限制效应的器件和应用提供了可能.     

复合掺杂VO2(B)粉体水热晶化过程中的掺杂离子行为研究

以甲酸为还原性酸,钒酸铵为钒源,钨酸铵和钼酸铵为掺杂离子源,水热合成复合掺杂Mo6+和W6+的VO2(B)带状粉体。采用XRD研究复合掺杂VO2(B)粉体的水热晶化过程,计算产物在各个阶段的单位晶胞体积,并结合XPS进行分析,以此对掺杂离子Mo6+、W6+进入VO2(B)晶格的过程进行理论分析。结果表明,Mo6+和W6+在水热合成100℃×4h+140℃×20h至100℃×4h+140℃×20h+180℃×10h过程中就开始进入VO2(B)的晶格。     

氧化钒薄膜的掺锆实验研究

以V2O5和Zr（NO3）4．5H2O为原料，采用无机溶胶-凝胶法制备了掺Zr^4＋的VOx（2≤X≤2．5）相变薄膜。通过对掺杂薄膜的物相组成、价态、相结构的XPS和XRD分析及电阻突变量级和电阻突变温度的测试，结果发现：所制备的掺杂薄膜其主要成分是VO2，所掺入的Zr与VOx完全互溶，但其中Zr的价态未发生改变。掺杂薄膜随Zr含量的增加其电阻突变温度下降．同时其电阻突变量级也随之降低。     

Ca对氧化铝晶界处氧空位扩散的活化机理

通过第一性原理方法计算了α-Al_2O_3的∑3(1010)晶界处Ca偏析对时氧空位(oxygen vacancy,VO)形成能和扩散势垒的影响。Ca偏析到晶界处的稳定位置后,Ca附近VO的形成能为3.05～4.04 eV,比没有掺杂的晶界处VO的形成能降低了2.5 eV以上;Ca附近VO扩散的活化能为2.30 eV,与没有掺杂的晶界相比,降低达1.8 eV.随着晶界处Ca浓度的升高,晶界附近的晶格发生明显膨胀,电荷平衡进一步被打破,VO的形成能降低至-1.43 eV,扩散的活化能进一步降低至1.27 eV。Ca掺杂对α-Al_2_3晶界有活化的作用,促进晶界处的VO的形成和扩散。     

对向靶磁控溅射纳米氧化钒薄膜的热氧化处理

采用直流对向靶磁控溅射方法制备低价态纳米氧化钒薄膜,研究热氧化处理温度和时间对氧化钒薄膜的组分、结构和电阻温度特性的影响采用X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）对氧化钒薄膜的组分、结晶结构和微观形貌进行分析,利用热敏感系统对薄膜的电阻温度特性进行测量．结果表明,经300～360℃热处理后,氧化钒薄膜的组分逐渐由V2O3和VO向VO2转变,薄膜由非晶态变为单斜金红石结构,具有金属半导体相变性能;增加热处理温度后,颗粒尺寸由20nm增大为100nm,薄膜表面变得致密,阻碍氧与低价态氧化钒的进一步反应,薄膜内VO2组分舍量的改变量不大;增加热处理时间后,薄膜内VO2组分的含量明显增加,相变幅度超过2个数量级.     

Cu掺杂A-TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Cu掺杂的A-TiO_2的电子结构和光学性质.结果表明,p型Cu掺杂会在禁带中引入杂质能级,同时杂质能级的数目随着掺杂Cu原子的增加而增多.由于杂质能级的出现,掺杂体系的禁带宽度变宽但有效禁带宽度降低,电子从低能级向高能级跃迁所需的光子能量变小,掺杂体系吸收谱的吸收峰发生明显的红移.掺杂体系在可见光区(680nm处)出现新的吸收峰,当Cu原子掺杂摩尔分数为4.17%时,A-TiO_2对可见光的净吸收最优,可有效提升A-TiO_2光催化剂的性能.可为制备高效的TiO_2半导体光催化材料研究提供参考.     

稀土掺杂氮化铝稀磁半导体纳米颗粒的高压相变研究

利用金刚石对顶砧和原位角散高压同步辐射X射线衍射技术,对电弧法制备的、稀土元素钪和钇掺杂的氮化铝(AlN)纳米颗粒进行了最高压力分别为51.29 GPa和33.80 GPa的高压相变研究.实验结果表明:钪和钇掺杂的AlN分别在压力为20.09 GPa和19.70 GPa时发生由六方纤锌矿结构向立方岩盐矿结构的转变,在压力分别为28.12 GPa和28.60 GPa时完全转变为立方岩盐矿结构;卸压后,岩盐矿结构保留下来,相变过程不可逆.通过对比研究我们发现,相同制备条件、相同形貌和尺寸的两个样品的相变点较之AlN纳米线均有所降低,高于AlN纳米晶,接近于AlN体材料,相变开始到结束的时间间隔缩短.对比两个实验结果,掺杂具有大离子半径的钇的样品相变点低于掺杂离子半径较小的钪的样品.结合原位角散高压X射线衍射研究结果,我们认为掺杂引起相变点降低是由于掺杂后引入的杂质离子及其诱导产生的铝空位导致AlN晶格结构畸变进而降低了掺杂AlN晶体结构的稳定性.     

La2Mo2O9的离子掺杂行为研究

以柠檬酸为络合剂,采用溶胶-凝胶法合成了La2Mo2O9以及La2Mo2-xMxO9(M=Fe、Mn、Ti、Co、Ni、W)掺杂的样品.应用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热(DSC)等方法考察了离子掺杂的成相情况以及离子搀杂对La2Mo2O9结构的稳定化作用;运用双探针法测试了样品的电导率随温度的变化情况.研究结果表明Fe、Mn、Ti、Co、Ni等离子对Mo6 的取代掺杂量较少.纯La2Mo2O9在580℃左右存在相变,但Fe、Ti掺杂样品没有出现相变过程的吸热峰.W6 离子可取代部分Mo6 而进入La2Mo2O9晶格,但对抑制其相变没有作用.     

W离子注入VO2薄膜结构及红外发射性能研究

探讨了低剂量离子注入技术对VO₂薄膜的结构和红外发射性能的影响,发现1×1015 cm?2注量的W离子注入掺杂时,会对VO₂薄膜的晶体结构产生一定的损伤;经400 ℃退火处理后部分恢复了薄膜的单斜相晶体结构,且退火处理后,在掺杂W离子、结构缺陷和氧空位的共同作用下,掺杂量0.12%即可使VO₂薄膜的相变温度降低8.9 ℃;掺杂原子数量每增加1%,其相变温度相应变化74.2 ℃;W离子注入并经退火处理后,VO₂薄膜的红外发射率为0.35～0.46,其在低温区间的红外发射率相比未注入薄膜降低了0.14,这大幅度提高了VO₂薄膜在低温区的红外隐身性能．      

基于一维光子晶体结构的温度可控光学膜系设计

采用热致相变材料VO2作为缺陷层,ZnS与MgF2作为周期性排列材料,设计了一种基于一维光子晶体结构的温度可控的光学膜系.由于VO2具有特殊的热致相变转换特性,光子禁带中的透射峰强度会因外界环境温度的改变而改变.所设计的一维光子晶体结构光学参数通过理论计算方法进行拟合,透射谱数据可根据传输矩阵法进行计算.研究结果表明,所设计结构具有良好的光学调节性能,在常温时的透射峰强度是高温状态下的40倍,并且透射峰位置可以根据入射角度的变化进行微调.所设计的基于一维光子晶体结构温度可控光学膜系具有较高的温度透射比、透射峰位置微调以及良好的双向温度调节性能.