摻雜對二氧化釩電學性能的影響

陳冬麗

摘 要：VO2是一種典型的相變型金屬氧化物，相變溫度為68 ℃，摻雜能有效地改變VO2的相變溫度，且相變前后光、電性能變化幅度較大。該文采用水熱法在制備的同時摻雜雜質離子制備VO2粉體，通過實驗得出最優摻雜條件為：反應溫度為180 ℃，反應時間為24 h，加入40%的HF體積比為1∶100，Ti4+離子摻雜量為4%，得到的VO2粉體相變溫度為40 ℃，使VO2的相變溫度降低了28 ℃。

關鍵詞：水熱法 摻雜 二氧化釩

中圖分類號：O484 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0236-02

VO2作為一種熱致相變氧化物，在68 ℃附近由低溫半導體單斜晶相轉變為高溫金紅石四方晶金屬相，同時電阻率、磁化率、光透射率和反射率發生突變，可以用來制作光電開關材料、熱敏電阻材料、光電信息存儲器、節能涂層以及可變反射鏡等器件[1-3]。摻雜能有效地改變VO2的相變溫度，且相變前后光、電性能變化幅度較大，使得摻雜后的VO2具有更加廣闊的應用前景。

1 實驗

水熱法是在高溫高壓下，在水（水溶液）或蒸氣等流體中進行有關化學反應的方法[4]。水熱合成法可以控制反應溫度、反應物濃度及物料配比等，在較低的溫度下就能進行，得到的幾納米至幾十納米的粉體。另外采用水熱法制備產物所需的儀器設備較為簡單，合成溫度低并且容易操作。摻雜能有效地改變VOX的電子輸運及半導體-金屬相變特性，研究發現，通常在VO2中摻入W6+、MO6+、F1-、Nb5+、Fe3+元素可以有效地使相變溫度降到室溫或者更低，Cr3+、Ge4+、Al3+、Ga3+元素可以使相變溫度升高[5]，使得VO2作為熱致相變材料具有很好地應用前景。單一摻雜元素改變VO2相變溫度的能力有限，該實驗采用水熱法同時摻雜Ti4+、F1-兩種雜質離子，討論Ti4+、F1-摻雜對二氧化釩粉體相變特性的影響。

實驗設計：該次實驗選用分析純五氧化二釩（V2O5）為原料，草酸（H2C2O4）為還原劑，通過水熱法在制備VO2粉體的同時摻雜雜質離子，加入40%的HF體積比為1∶100，Ti4+離子的加入量4%、7%和10%，然后在180 ℃的溫度下反應時間12 h、18 h和24 h，最終得摻雜了F-與Ti4+的VO2粉體。反應公式如下：

2 實驗結果及數據分析

2.1 產物顏色分析

從表1中可以看出，隨著反應時間的增長產物的顏色逐漸加深，說明其中VO2的含量逐漸增多，增加反應時間有利于VO2的生成；隨著Ti4+離子摻雜量的增加產物的顏色沒有明顯變化，說明雜質離子的加入對反應沒有明顯影響，但雜質離子的摻入量對VO2粉體的光學性質影響較大。

2.2 相同反應時間不同摻雜濃度產物電阻率的比較

由圖1可以看出，摻入雜質離子后VO2的相變溫度明顯降低，由為摻雜是的68 ℃降到40 ℃左右。F-離子一定時，隨著Ti4+離子的濃度的升高，VO2的相變溫度并沒有明顯改變，但VO2的電阻率的突變區間由500-250 Ω·S減小到250-200 Ω·S，電阻率突變區間逐漸變窄。由此也可以看出，摻雜濃度并不是越大越好。反應時間為18 h和12 h時情況類似。

2.3 相同反應時間不同摻雜濃度產物電阻率的比較

由圖2可以看出，摻雜濃度為4%時VO2的電阻突變點在40 ℃左右，電阻率從500-250 Ω·S降低到150-100 Ω·S，突變區間明顯減小。摻雜濃度為7%和10%時情況類似，只是VO2的電阻突變區間減小更多。

綜上所述，同時摻雜F-和Ti4+離子能明顯降低VO2的相變溫度，摻雜后VO2的相變溫度在40 ℃左右，使VO2的相變溫度降低了28 ℃。另外反應時間為24 h，摻雜濃度為4%時VO2的電阻率從500-250 Ω·S，電阻率改變值約250 Ω·S，電阻突變區間最大。

3 結語

該實驗采用水熱法制備VO2粉體，在實驗制備過程中同時摻雜F-與Ti4+兩種離子，實驗得到的最佳反應條件為：在溫度180 ℃，反應時間為24 h，加入40%的HF體積比為1∶100，Ti4+離子摻雜量為4%，得到摻雜后的VO2的相變溫度在40 ℃左右，使VO2的相變溫度降低了28 ℃。

參考文獻

[1] 顏毅.紅外成象仿真技術[J].紅外與激光技術，1991（4）：1.

[2] 范樵喬，黃維剛，涂銘連.摻雜VO2的特性、制備方法及應用[J].四川冶金，2006，28（3）：13-16.