用于探测的纳米级材料相变特性研究(2)
虽然到目前为止对于钒的氧化物相变的解释，科学界还没有形成一个统一的认识，但是这丝毫不影响研究者对于钒的氧化物研究的热情。由于VO2具有以上的相变特性，其无论是在军事还是在民用领域都具有广泛的应用。美国等发达国家已经将VO2材料用于军事、通信等领域，并展现出其具有巨大的商业价值和实用价值。而二氧化钒薄膜材料极大地扩展了其在电子工业、光学、信息等产业的应用。近几年，将二氧化钒材料用于“智能”控制设备的研究也在不断深入，如将二氧化钒材料用于玻璃窗户涂层，可以根据室内温度控制房间光照条件。我国对于VO2材料相变的研究工作起步比较晚，水平也相应的比较低，目前国内对VO2材料的研究主要集中在两个主要方面：一方面是用于非制冷型红外探测器，这类应用要求材料具有适当的电阻率和较高的TCR（temperature coefficient of resistance 简称TCR）；另一方面是用于激光防护设备、智能窗涂层和光电开关方面，这类材料要求材料具有相变特性且相变温度较低、相变幅度高和热致宽度小[4]。
1.2 VO2结构及相变机理
1.2.1 VO2结构性能
1958年,美国贝尔实验室的科学家F.J.Morin发现了钒元素和钛元素的氧化物具有从半导体态到金属态(Metal-Insulator Transition(MIT)or Semiconductor-Metal Transition(SMT))相变特性[5]。其中，VO2材料的相变性能较为突出。实验表明:当温度低于相变温度时，VO2晶体结构会呈现出单斜金红石结构[6]。其晶格结构如图1.1所示。而当温度高于相变温度时，VO2晶体结构会呈现出四方金红石结构。其晶格结构如图1.2所示。
图1.1 单斜金红石结构
图1.2 四方金红石结构
二氧化钒多晶薄膜在相变的过程中，其电学性质（如电阻率）和光学性质（如红外光的透射率）等都发生着巨大的变化。VO2多晶薄膜电阻率变化一般可达到4个数量级，而红外透射系数的变化一般在60%左右，但对于可见光波长范围内，其透射系数变化一般很小。
1.2.2 VO2相变原理
研究者们很早就注意到二氧化钒材料的相变特性。早期的研究发现：温度的变化会导致二氧化钒材料发生相变，当发生相变时，其电学性质会相应的发生突变，一般的多晶薄膜结构的突变程度可达2-3个数量级，而单晶结构的突变程度甚至可达5个数量级。同时其光学特性（如入射光的折射率n、反射率R以及入射光透射率T、吸收率A）也会发生较为明显变化，这种变化在红外光波段尤为突出[7]。
研究表明：二氧化钒的相变温度一般在68℃（340K）左右，当二氧化钒材料从较低的温度升温直至相变温度时，其发生相变，材料的电阻率ρ以及红外光的透射率T会迅速减小。而当VO2材料从较高温度降温至相变温度时，发生相变后材料的电阻率ρ和红外光透过率T则会突然升高。
二氧化钒材料升温过程中和降温过程中的相变温度点其实并不一致，如图1.3所示，在实际升温和降温的过程中，升温过程中的相变温度点比降温过程中的相变温度点要高。图1.3是电阻ρ-温度T特性曲线形成的二氧化钒相变特征滞回曲线，由图可以看出在升温相变和降温相变过程中，电阻率ρ的突变曲线也不重合，升温过程的电阻率变化曲线与降温过程的电阻率变化曲线形成Z形滞回曲线。
图1.3 VO2电阻-温度曲线
而对于二氧化钒材料的光学性能，其升温过程与降温过程透射率的变化曲线也会形成Z形滞回曲线。图1.4给出了利用旋涂法制成的二氧化钒薄膜的透射性能随温度的变化情况，其中入射光为1650nm的红外光，从图中可以看出在升温和降温过程中红外透射率的突变点并不一样，可以清楚的看出在升温过程中的相变温度点比降温过程中的相变温度点要高。