Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с диоксида ванадия )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Оксид ванадия (IV)
VO2 crystal.jpg
Имена
Название ИЮПАК
Оксид ванадия (IV)
Другие имена
Диоксид ванадия
Тетроксид диванадия
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ECHA InfoCard100.031.661 Отредактируйте это в Викиданных
  • O = [V] = O
Характеристики
VO 2
Молярная масса82,94 г / моль
ВнешностьСине-черный порошок
Плотность4,571 г / см 3 (моноклинная)
4,653 г / см 3 (тетрагональная)
Температура плавления1967 ° C [1]
+ 99,0 · 10 −6 см 3 / моль [2]
Структура
Искаженный рутил (<70 ° C, моноклинный)
Рутил (> 70 ° C, тетрагональный)
Опасности
Основные опасностиядовитый
R-фразы (устаревшие)36/37/38
S-фразы (устарели)26-36 / 37/39
NFPA 704 (огненный алмаз)
точка возгоранияНегорючий
Родственные соединения
Другие анионы
Дисульфид
ванадия Диселенид
ванадия Дителлурид ванадия
Другие катионы
Оксид ниобия (IV) Оксид
тантала (IV)
Родственные оксиды ванадия
Оксид ванадия (II) Оксид
ванадия (III) Оксид
ванадия (V)
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Оксид ванадия (IV) или диоксид ванадия представляет собой неорганическое соединение с формулой VO 2 . Это темно-синее твердое вещество. Диоксид ванадия (IV) является амфотерным , растворяется в неокисляющих кислотах с образованием синего иона ванадила [VO] 2+ и в щелочи с образованием коричневого иона [V 4 O 9 ] 2- , или при высоком pH [VO 4 ] 4− . [3] VO 2имеет фазовый переход, очень близкий к комнатной температуре (~ 66 ° C). Удельное электрическое сопротивление, непрозрачность и т. Д. Могут изменяться на несколько порядков. Благодаря этим свойствам он использовался для покрытия поверхностей, [4] сенсоров, [5] и изображений. [6] Потенциальные приложения включают использование в устройствах памяти, [7] [8] переключателях фазового перехода, [9] в системах аэрокосмической связи и нейроморфных вычислениях . [10]

Свойства [ править ]

Структура [ править ]

VO
2структура. Атомы ванадия фиолетовые, а атомы кислорода розовые. Димеры V – V выделены фиолетовыми линиями на рисунке (а). Расстояния между соседними атомами ванадия на рисунке (б) равны.

При температурах ниже T c = 340 K (67 ° C) VO
2имеет моноклинную ( пространственная группа P2 1 / c) кристаллическую структуру. Выше T c структура тетрагональная , как у рутила TiO.
2. В моноклинной фазе ионы V 4+ образуют пары вдоль оси c, что приводит к чередованию коротких и длинных расстояний VV, составляющих 2,65 Å и 3,12 Å. Для сравнения, в фазе рутила ионы V 4+ разделены фиксированным расстоянием 2,96 Å. В результате количество ионов V 4+ в кристаллографической элементарной ячейке удваивается от рутильной к моноклинной фазе. [11]

Равновесная морфология рутила ВО
2частицы игольчатые, с боков ограничены поверхностями (110), которые являются наиболее стабильными плоскостями завершения. [12] Поверхность имеет тенденцию к окислению относительно стехиометрического состава, при этом кислород адсорбируется на поверхности (110), образуя частицы ванадила. [12] Присутствие ионов V 5+ на поверхности VO
2плёнки подтверждены данными рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии . [13]

Электронный [ править ]

При температуре перехода от рутила к моноклинному (67 ° C) VO
2также демонстрирует переход от металла к полупроводнику в своей электронной структуре: фаза рутила является металлической, а моноклинная фаза является полупроводниковой. [14] Оптическая ширина запрещенной зоны ВО 2 в моноклинной низкотемпературной фазе составляет около 0,7 эВ. [15]

Термальный [ править ]

Металлический VO 2 противоречит закону Видемана – Франца, согласно которому отношение электронного вклада теплопроводности ( κ ) в электрическую проводимость ( σ ) металла пропорционально температуре . Теплопроводность, которую можно отнести к движению электронов, составляла 10% от величины, предсказанной законом Видемана – Франца. Причиной этого, по-видимому, является жидкий путь, которым электроны движутся через материал, уменьшая типичное случайное движение электронов. [16] Теплопроводность ~ 0,2 Вт / м⋅К, электропроводность ~ 8,0 × 10 ^ 5 См / м. [17]

Потенциальные применения включают преобразование отработанного тепла двигателей и приборов в электричество или оконные покрытия, которые сохраняют прохладу в зданиях. При смешивании VO 2 с другими материалами теплопроводность изменялась . При низкой температуре он может действовать как изолятор, проводя тепло при более высокой температуре. [16]

Синтез и структура [ править ]

Нанозвезды оксида ванадия (IV)

Следуя методу, описанному Берцелиусом , В.О.
2получают конпропорционирование из ванадия (III) оксид и ванадия (V) , оксид : [18]

V
2О
5 + V
2О
3 → 4 ВО
2

При комнатной температуре VO 2 имеет искаженную структуру рутила с более короткими расстояниями между парами атомов V, что указывает на связь металл-металл. При температуре выше 68 ° C структура меняется на неискаженную структуру рутила, и связи металл-металл разрываются, вызывая увеличение электропроводности и магнитной восприимчивости, поскольку связывающие электроны «высвобождаются». [3] Происхождение этого перехода изолятор в металл остается спорным и представляет интерес как для физики конденсированных сред [19], так и для практических приложений, таких как электрические переключатели, настраиваемые электрические фильтры, ограничители мощности, нано-осцилляторы, [20] мемристоры , полевые транзисторы иметаматериалы . [21] [22] [23]

Инфракрасное отражение [ править ]

Спектры пропускания ВО
2/ SiO
2фильм. Мягкий нагрев приводит к значительному поглощению инфракрасного света

VO
2проявляет зависящие от температуры отражающие свойства. При нагревании от комнатной температуры до 80 ° C тепловое излучение материала обычно повышается до 74 ° C, а затем внезапно падает примерно до 20 ° C. При комнатной температуре VO
2почти прозрачен для инфракрасного света. По мере повышения температуры он постепенно становится отражающим. При промежуточных температурах он ведет себя как хорошо поглощающий диэлектрик. [24] [25]

Тонкая пленка оксида ванадия на сильно отражающей подложке (для определенных длин волн инфракрасного излучения), такой как сапфир, либо поглощает, либо отражает в зависимости от температуры. Его излучательная способность значительно зависит от температуры. Когда оксид ванадия переходит с повышением температуры, структура подвергается внезапному снижению излучательной способности, что для инфракрасных камер выглядит более холодным, чем есть на самом деле. [26] [24]

Варьируя материалы подложки, например, на оксид индия и олова, и модифицируя покрытие из оксида ванадия с использованием легирования, деформации и других процессов, изменяются длины волн и диапазоны температур, в которых наблюдаются тепловые эффекты. [24] [26]

Наноразмерные структуры, которые естественным образом возникают в переходной области материалов, могут подавлять тепловое излучение при повышении температуры. Легирование покрытия вольфрамом снижает тепловой диапазон эффекта до комнатной температуры. [24]

Использует [ редактировать ]

Управление инфракрасным излучением [ править ]

Нелегированные и легированные вольфрамом пленки диоксида ванадия могут действовать как «спектрально-селективные» покрытия, блокируя передачу инфракрасного излучения и уменьшая потерю тепла внутри здания через окна. [26] [27] [28] Изменение количества вольфрама позволяет регулировать температуру фазового перехода со скоростью 20 ° C на 1 атомный процент вольфрама. [26] Покрытие имеет легкий желто-зеленый цвет. [29]

Другие потенциальные применения его тепловых свойств включают пассивную маскировку, тепловые маяки, связь или намеренное ускорение или замедление охлаждения (что может быть полезно в различных конструкциях от домов до спутников [24] ).

Диоксид ванадия может действовать как чрезвычайно быстрые оптические модуляторы , инфракрасные модуляторы для систем наведения ракет, камер, хранилищ данных и других приложений. Термохромный фазовый переход между прозрачным полупроводящего и отражательной проводящей фазой, происходит при 68 ° C, может произойти во время максимально короткие 100 фемтосекунд. [30]

Фазовые вычисления и память [ править ]

Фазовым переходом изолятор-металл в VO 2 можно управлять в наномасштабе с помощью смещенного проводящего наконечника атомно-силового микроскопа [31], что указывает на его применение в вычислениях и хранении информации. [8]

См. Также [ править ]

  • Ванадиевый окислительно-восстановительный аккумулятор

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Haynes, p. 4,98
  2. Перейти ↑ Haynes, p. 4,136
  3. ^ a b Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов . Оксфорд: Pergamon Press . С. 1144–45. ISBN 978-0-08-022057-4.
  4. ^ Ли, Ямэй; Цзи, Шидонг; Гао, Яньфэн; Ло, Хунцзе; Канехира, Минору (2 апреля 2013 г.). « Наностержни Core-Shell VO 2 @TiO 2 , сочетающие термохромные и фотокаталитические свойства для применения в качестве энергосберегающих интеллектуальных покрытий» . Научные отчеты . 3 : 1370. Bibcode : 2013NatSR ... 3E1370L . DOI : 10.1038 / srep01370 . PMC 3613806 . PMID 23546301 .  
  5. ^ Ху, Бен; Дин, Юн; Чен, Вэнь; Кулкарни, Дхавал; Шен, Юэ; Цукрук, Владимир В .; Ван, Чжун Линь (01.12.2010). «Индуцированный внешней деформацией изолирующий фазовый переход в нанопучке VO 2 и его применение в качестве гибкого датчика деформации» . Современные материалы . 22 (45): 5134–5139. DOI : 10.1002 / adma.201002868 . PMID 20842663 . S2CID 205238368 .  
  6. ^ Гурвич, М .; Luryi, S .; Поляков, А .; Шабалов, А. (15.11.2009). «Негистерезисное поведение внутри петли гистерезиса VO 2 и его возможное применение в инфракрасной визуализации» . Журнал прикладной физики . 106 (10): 104504–104504–15. Bibcode : 2009JAP ... 106j4504G . DOI : 10.1063 / 1.3243286 . S2CID 7107273 . 
  7. ^ Се, Жунго; Буй, Конг Тинь; Варгезе, Бинни; Чжан, Цинсинь; Соу, Чорнг Хаур; Ли, Баовэнь; Тонг, Джон Т.Л. (10.05.2011). "Электрически настроенная твердотельная тепловая память на основе перехода металл – диэлектрик монокристаллических нанопучков VO 2 ". Современные функциональные материалы . 21 (9): 1602–1607. DOI : 10.1002 / adfm.201002436 .
  8. ^ а б Чжоу, Ты; Раманатан, С. (01.08.2015). «Память Мотта и нейроморфные устройства» . Труды IEEE . 103 (8): 1289–1310. DOI : 10.1109 / JPROC.2015.2431914 . S2CID 11347598 . 
  9. ^ «Материалы и переключатели с фазовым переходом для использования энергоэффективных приложений, не использующих CMOS» . Проект переключателя фазового перехода . Проверено 5 мая 2018 .
  10. ^ Барро, Эммануэль (2018-02-05). «Революционный материал для аэрокосмических и нейроморфных вычислений» . Новости EPFL . Проверено 5 мая 2018 .
  11. Перейти ↑ Morin, FJ (1959). «Оксиды, которые показывают переход металл-изолятор при температуре Нееля». Письма с физическим обзором . 3 (1): 34–36. Полномочный код : 1959PhRvL ... 3 ... 34M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.3.34 .
  12. ^ a b Mellan, Thomas A .; Грау-Креспо, Рикардо (2012). «Изучение теории функционала плотности рутиловых поверхностей VO 2 ». Журнал химической физики . 137 (15): 154706. arXiv : 1209.6177 . Bibcode : 2012JChPh.137o4706M . DOI : 10.1063 / 1.4758319 . PMID 23083183 . S2CID 29006673 .  
  13. ^ Мэннинг, Трой Д.; Паркин, Иван П .; Пембл, Мартин Э .; Шил, Дэвид; Вернарду, Димитра (2004). "Интеллектуальные оконные покрытия: химическое осаждение из паровой фазы легированного вольфрамом диоксида ванадия при атмосферном давлении". Химия материалов . 16 (4): 744–749. DOI : 10.1021 / cm034905y .
  14. ^ Гуденаф, Джон Б. (1971-11-01). «Две составляющие кристаллографического перехода в VO 2 ». Журнал химии твердого тела . 3 (4): 490–500. Bibcode : 1971JSSCh ... 3..490G . DOI : 10.1016 / 0022-4596 (71) 90091-0 .
  15. ^ Шин, S .; Suga, S .; Taniguchi, M .; Fujisawa, M .; Kanzaki, H .; Fujimori, A .; Daimon, H .; Ueda, Y .; Косуге, К. (1990). «Исследование коэффициента отражения в вакууме-ультрафиолетовом свете и фотоэмиссии фазовых переходов металл-диэлектрик в VO 2 , V 6 O 13 и V 2 O 3 ». Physical Review B . 41 (8): 4993–5009. Bibcode : 1990PhRvB..41.4993S . DOI : 10.1103 / Physrevb.41.4993 . PMID 9994356 . 
  16. ^ a b Макдональд, Фиона (28 января 2017 г.). «Физики нашли металл, который проводит электричество, но не проводит тепло» . ScienceAlert .
  17. ^ Ли, Сангвук; Хиппалгаонкар, Кедар; Ян, Фань; Хун, Цзяванг; Ко, Чанхён; Сух, Джунки; Лю, Кай; Ван, Кевин; Урбан, Джеффри Дж. (2017-01-27). «Аномально низкая электронная теплопроводность в металлическом диоксиде ванадия» (PDF) . Наука . 355 (6323): 371–374. Bibcode : 2017Sci ... 355..371L . DOI : 10.1126 / science.aag0410 . PMID 28126811 . S2CID 206650639 .   
  18. ^ Брауэр, Г. изд. (1963) Справочник по препаративной неорганической химии , 2-е изд. Академическая пресса. NY. Vol. 1. п. 1267.
  19. ^ Новые исследования объясняют переход диоксида ванадия изолятор-металл , PhysOrg. 11 апреля 2015 года.
  20. ^ Крунтяну, Аврелиан; Живно, Жюльен; Лерой, Джонатан; Мардивирин, Давид; Шампо, Коринн; Орлианж, Жан-Кристоф; Катерино, Ален; Блонди, Пьер (2010). «Активируемый напряжением и током переход металл-изолятор в электрических переключателях на основе VO 2 : анализ срока службы» . Наука и технология перспективных материалов . 11 (6): 065002. Bibcode : 2010STAdM..11f5002C . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 11/6/065002 . PMC 5090451 . PMID 27877369 .  
  21. ^ Паттанаяк, Милинда; Hoque, Md Nadim F .; Фань, Чжаоян; Бернусси, Айртон А. (2018). «Генерация электрических колебаний с переключением сопротивлений током в микроканальных устройствах VO 2 » . Наука и технология перспективных материалов . 19 (1): 693–701. Bibcode : 2018STAdM..19..693P . DOI : 10.1080 / 14686996.2018.1521249 .
  22. ^ Дрисколл, Т .; Палит, С .; Казилбаш, ММ; и другие. (2008). «Динамическая настройка инфракрасного резонанса гибридного метаматериала с использованием диоксида ванадия». Письма по прикладной физике . 93 (2): 024101. DOI : 10,1063 / 1,2956675 .
  23. ^ Кац, Михаил А .; Бланшар, Ромен; Чжан, Шуянь; и другие. (21 октября 2013 г.). «Диоксид ванадия как природный неупорядоченный метаматериал: идеальное тепловое излучение и широкополосное отрицательное дифференциальное тепловое излучение» . Physical Review X . 3 (4): 041004. DOI : 10,1103 / PhysRevX.3.041004 .
  24. ^ a b c d e «Природный метаматериал при нагревании выглядит холоднее» . Physicsworld.com. 2013-10-25 . Проверено 1 января 2014 .
  25. ^ Кац, Массачусетс; Blanchard, R .; Zhang, S .; Genevet, P .; Ko, C .; Раманатан, S .; Капассо, Ф. (2013). «Диоксид ванадия как природный неупорядоченный метаматериал: идеальное тепловое излучение и широкополосное отрицательное дифференциальное тепловое излучение». Physical Review X . 3 (4): 041004. arXiv : 1305.0033 . Bibcode : 2013PhRvX ... 3d1004K . DOI : 10.1103 / PhysRevX.3.041004 . S2CID 53496680 . 
  26. ^ а б в г Ван, Чао; Чжао, Ли; Лян, Цзихуэй; Дун, Бинхай; Ван, Ли; Ван, Шимин (2017). «Новые интеллектуальные многофункциональные композитные пленки SiO 2 / VO 2 с улучшенными характеристиками регулирования инфракрасного света, возможностью модуляции солнечного излучения и супергидрофобностью» . Наука и технология перспективных материалов . 18 (1): 563–573. Bibcode : 2017STAdM..18..563W . DOI : 10.1080 / 14686996.2017.1360752 . PMC 5613921 . PMID 28970866 .  
  27. ^ Гусман, Г. Диоксид ванадия как инфракрасное активное покрытие . solgel.com
  28. ^ "Интеллектуальные оконные покрытия, которые пропускают свет, но не пропускают тепло - Новости" . Azom.com. 2004-08-12 . Проверено 12 сентября 2012 .
  29. ^ Espinasse, Филипп (2009-11-03). «Интеллектуальное оконное покрытие отражает тепло, а не свет» . oe журнал. Архивировано из оригинала на 2005-05-24 . Проверено 12 сентября 2012 .
  30. ^ "Самый быстрый оптический затвор в природе" . Physorg.com. 7 апреля 2005 г.
  31. ^ Джихун Ким; Ко, Чанхён; Френзель, Алекс; Раманатан, Шрирам; Хоффман, Дженнифер Э. (2010). «Наноразмерные изображения и контроль переключения сопротивления в VO 2 при комнатной температуре» (PDF) . Письма по прикладной физике . 96 (21): 213106. Bibcode : 2010ApPhL..96u3106K . DOI : 10.1063 / 1.3435466 .

Цитированные источники [ править ]

  • Хейнс, Уильям М., изд. (2011). CRC Справочник по химии и физике (92-е изд.). CRC Press . ISBN 978-1439855119.