论文总字数：12502字

摘 要

VO₂有着其独特的金属绝缘相变特性，而且在其相变的过程中同时会发生光学性能和电学性能的变化，并且具有响应时间短等优异的特点，使其在光电开光、智能窗、红外探测器等领域有着极其重大的发展前景。VO₂纳米材料的制备方法也有很多，并且其基底的不同也决定着其形貌（纳米颗粒、一维纳米线、薄膜等）的改变。总的来说，二氧化钒（VO₂）纳米线的制备方法分为物理法和化学法，物理法和化学法都有着其各自的优点和缺点，化学法工艺简单，成本低廉，对原料要求较高，然而物理法制备产物虽然对设备要求较高，成本高，但是其产品的精度高，纯度高，易于掺杂等特性是化学法无法相提并论的。物理法主要有磁控溅射法、喷墨打印技术、物理气相沉积等。与此同时，还有着其他新型的制备方法诞生，如脉冲激光沉积法，溶剂热/刻蚀法等。

同时，对二氧化钒（VO₂）的物性调控也就有着极其重要的研究意义。目前最为常用的就是通过元素掺杂调控其特性（红外光透过率、导电性等）。

关键词：VO₂纳米线 物理气相沉积 元素掺杂

Study on the Growth of VO₂ Single Crystal Nanowires and Physical Property Control by Physical Vapor Deposition

Abstract

VO2 has its unique phase transformation characteristics of metal insulation, and in the process of phase transformation, it will change its optical and electrical properties at the same time, and has excellent characteristics such as short response time, which makes it have a very important development prospect in the fields of photoelectric switching, intelligent window, infrared detector and so on. There are many preparation methods of VO2 nanomaterials, and the different substrates also determine the changes of their morphology (nanoparticles, one-dimensional nanowires, thin films, etc.). In general, the preparation methods of vanadium dioxide (VO2) nanowires can be divided into physical method and chemical method. Physical method and chemical method have their own advantages and disadvantages. Chemical method has simple process, low cost and high requirements for raw materials. However, although physical method has high requirements for equipment and high cost, its products have high precision, high purity and easy doping Chemical methods cannot be compared. Physical methods include magnetron sputtering, ink-jet printing, physical vapor deposition, etc. At the same time, there are other new preparation methods, such as pulse laser deposition, solvothermal / etching and so on.

At the same time, the regulation of the physical properties of vanadium dioxide (VO2) is of great significance. At present, the most commonly used method is to control its properties (infrared transmittance, conductivity, etc.) by doping elements.

Key Words: VO2 nanowires; Physical vapor deposition; Element doping

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 VO₂是一中常见的强关联电子材料 1

1.2 VO₂的性质 1

1.3 VO₂纳米线的制备方法 2

1.3.1 水热法 2

1.3.2 物理气相沉积法 2

1.3.3 固相反应法 3

1.4 VO₂不同制备方法的优缺点 4

第二章 气相沉积VO2纳米线的制备 5

2.1 气相沉积制备VO₂纳米线 5

2.1.1气相沉积原理 5

2.1.2 纳米线制备原理 6

2.1.3 元素掺杂调控相变温度、光学测量、电学测量等 7

2.1.4 VO₂调控原理和相变物理机制探索 9

第三章 VO2纳米线的相变性质的应用 11

3.1 智能窗的应用 11

3.2 红外探测器应用 11

第四章 总结展望 12

4.1 总结 12

4.2 未来研究展望 12

参考文献 13

致谢 14

1. 绪论

VO₂是一中常见的强关联电子材料

二氧化钒属于典型的二元过渡金属氧化物，其存在一个相变温度，在这一相变温度附近表现出独特的金属-绝缘性质。在68℃以下，为绝缘单斜相（M），68℃以上为金红石相，属于金属态，研究表明，电阻率的变化在4~5个数量级。这一相变促使二氧化钒发生一定的晶体结构的变化，不仅如此，VO₂在光学性质和电学性质也会有相应的变化。在低温（68℃以下）时，对红外光有较高的透过性，一旦逾越这一相变温度，对红外光的透过率就会大幅度降低，根据这一特性，可实现高温隔热、低温保暖的作用。VO₂会有着晶体结构、红外光透过率等突变在相变过程中，它的这些独特的性质让其在各个领域都是一名佼佼者，例如在光电开关、智能窗户、激光防护、红外伪装等。^[1-3]

VO₂的性质^[6]

1. 相变温度

VO₂存在一个相变温度，这个温度就是一个临界点，一般68℃（341K），一旦超过这个温度，它的电阻就会降低。与此同时，VO₂的相变温度在升温过程和降温过程不一致，我们通常叫“滞”的效应，VO₂的制备方法和工艺参数对这两个相变温度的差距有着密切的关联。^[5]

1. 光学特性

VO₂之所以能够高温隔热、低温保暖就是因为它在相变过程中，对可见光和红外光的透过率会有着很大的影响。随着温度的升高，逾越相变温度后，红外光的透过率就会降低，这一过程的响应时间是极其短暂的（ns量级），大多数情况下，红外光和可见光的入射光几乎完全被阻挡，因此就能够达到一个高温隔热的能力。

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