VO2纳米晶的缺陷结构调控及性能研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

在能源消耗日益严重的今天,建筑室内的温度调控占据较大的能量损耗,开发出一种能智能控制室内温度的节能环保型建筑窗户成为研究人员关注的热点。钒氧化物种类繁多,常见的有V2O5,VO2,V2O3,VO等,其中氧化钒(VO2)有多种相结构,A, B, M, R相等,在341 K(68℃)附近表现出由单斜R相转变为四方M相的金属-绝缘体转变行为,伴随着电学性质,光学性质等的变化,因而广泛应用于传感器、红外光调制器、光电开关、能量存储器件及智能窗户等多个领域。由于VO2相变温度高于室温而制约其在智能窗领域的应用。为解决这一问题,研究人员采用VO2 晶粒尺寸调控、元素掺杂、应力诱导、形成异质结构、氢化处理、引入离子液体等多种方法等调节其相变温度。太原理工大学的王孟[1]等提出一种核壳结构模型,运用热力学方程推导出晶粒尺寸影响晶型转变的通解方程,并用实验证实了随着VO2 (M)纳米颗粒尺寸的减低,其晶型转变温度、熵值和焓值均会减小;元素掺杂是目前国内外研究最广泛且最成熟的方法,据报道W6 、Mo6 、Nb5 、Os4 等高价元素能有效降低VO2的相变温度[2],中国科学院上海技术物理研究所的刘星星[3]等采用磁控溅射法成功在玻璃基底上获得相变温度为32.6 ℃的掺钨VO2 薄膜;中国科学技术大学的樊乐乐[4]在2014年采用等离子辅助分子束外延法研究基底与VO2 之间的应力,结果表明界面应力、电子轨道占据与相变温度间存在关联;美国宾州州立大学的Xuefei Li和Raymond教授[5]提出利用界面调控构建VO2-TiO2-VO2 异质结构,得到具有良好金属-绝缘体转变行为的VO2薄膜;通过VO2 薄膜进行氢化处理,H占据填隙位或吸附表面形成O空位,导致V-3d 轨道电子占据增加,降低其相变所需要的能量势垒,进而引起相比温度的降低[6];Nakano[7]等人的研究则表明:引入离子液体后能利用电场调控VO2 薄膜中氧空位,进而调控其相变温度。虽然这些方法能有效降低VO2 薄膜的相变温度,但无法协调薄膜在玻璃基底上红外光调制率过低、可见光透过率过低的问题。本课题基于对氧化钒自身缺陷的调控,提出一种淬冷方法处理VO2纳米颗粒,通过对淬冷法中温度的控制保留其高温相结构,在快速冷却中诱导缺陷尤其是表面晶格畸变及氧空位的生成,改变V轨道电子的占据状态,进而降低其相变温度,并且将所得VO2 纳米颗粒分散在PVP 中涂附于玻璃基底上,得到具有良好光致变色性能的VO2 薄膜。


2. 研究的基本内容与方案

(1)基本内容:

vo2因其低温相变导致的光学性能变化而成为一种理想的热致变色材料,但是其相变温度(68℃)还是高于室温,限制了其在节能玻璃薄膜中的进一步应用。为了解决这一问题,本课题采用淬冷法处理vo2纳米颗粒,通过调节淬冷法中处理温度可以调控缺陷及其类型,从而调控vo2的相变温度,然后将该vo2纳米晶与pvp混合,旋涂于玻璃表面使其成膜,从而测试其热致变色性能并研究缺陷对该性能的影响规律。

(2)目标:

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3. 研究计划与安排

第1-7周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告;

第8-11周:按照设计方案,采用淬冷法处理vo2纳米晶制备vo2基复合薄膜;

第12-16周:采用xrd、fe-sem、tg-dsc、eds、xps等测试技术对所得vo2纳米晶及其复合薄膜的物相、缺陷、显微结构进行表征,同时对其热致变色性能进行测试;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] m. wang,y. xue, z. cui, r. zhang, size-dependent crystal transition thermodynamics ofnano-vo2 (m) [j]. j. phys. chem. c 2018, 122: 8621#8722;8627.

[2] 罗宏杰, 高彦峰. 二氧化钒智能节能材料的溶液法制备与光学性能[j]. 中国材料进展, 2009, 28(1): 38-42.

[3] 刘星星.高性能智能窗用掺钨二氧化钒膜系的研制[j]. 红外,2014 35(8): 21.

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