二氧化釩——多種刺激響應相變材料及其應用

2021-02-15 MaterialsViews

刺激響應型材料在外界微小刺激條件下，材料自身的結構和物理化學性質會發生動態且可逆的改變，因而也被稱成智能材料。二氧化釩（VO2）是一種強關聯電子體系二元氧化物，由於其內部電子、軌道、晶格和自旋的強相互作用，外界微小刺激引起的局域電子和晶體結構的變化即可誘導VO2發生可逆的金屬-絕緣體相變。伴隨相變，VO2的晶體結構、電阻、紅外光透過率、折射率和磁化率等發生急劇的變化。正是因為VO2近室溫的相變溫度和相變前後物理化學性質的突變，使其在電子、軍事、日常生活等方面具有非常廣泛的應用前景。

多年來，科研人員研究了各種外界刺激條件下的VO2相變行為和相關的器件應用，具體的相變激勵源包括熱、光，電，電化學，磁，應力等，不同刺激條件下的VO2相變過程和應用存在很大差異。近期，新加坡南洋理工大學龍禕小組系統總結了該領域的研究進展，從VO2相變及相變引起的獨特物理化學性能出發，依次總結了熱，光，電，電化學，應力以及磁場等不同刺激下VO2相變機理和對應刺激條件下的VO2器件響應和應用。其中，熱誘導的VO2相變仍佔據主導，應用範圍包括智能節能窗、目標偽裝、熱整流、射頻開關、諧振器、驅動器、溫敏器件和場發射器件；光致VO2相變快速、便捷，有利於研究相變動力學過程，相關器件應用包括光存儲、全光開關、光電探測器、光電晶體等；電場誘導的VO2相變器件結構簡單，應用前景廣闊，可用作電開關、場效應電晶體、電子振蕩器、憶阻器、射頻開關、電光調製器等；電化學條件下的離子摻雜和靜電效應引起的VO2相變，可用於離子液體場效應管和電致變色器件；應力會改變中的VO2晶格常數，從而改變其電子結構引起相變，並可用作柔性應力傳感器；VO2在相變過程中磁化率也會發生突變，使其在磁製冷和自旋電子器件領域具有潛在的價值。

作者對未來VO2基智能器件的發展方向展望如下： 提高器件的耐用性、使用壽命，並且最大程度提高VO2生物兼容性和相關器件性能；研發出多種刺激耦合條件下多功能響應器件；研究簡單、高效和低成本的VO2器件構築方法。總之，VO2通過感應外界刺激發生相變，並在相變中表現出物性的突變，將在未來實現多功能智能器件中成為所需的基礎材料。

相關論文以綜述形式發表在Small (DOI: 10.1002/smll.201802025)上。

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