掺杂对二氧化钒电学性能的影响

陈冬丽

摘 要：VO2是一种典型的相变型金属氧化物，相变温度为68 ℃，掺杂能有效地改变VO2的相变温度，且相变前后光、电性能变化幅度较大。该文采用水热法在制备的同时掺杂杂质离子制备VO2粉体，通过实验得出最优掺杂条件为：反应温度为180 ℃，反应时间为24 h，加入40%的HF体积比为1∶100，Ti4+离子掺杂量为4%，得到的VO2粉体相变温度为40 ℃，使VO2的相变温度降低了28 ℃。

关键词：水热法 掺杂 二氧化钒

中图分类号：O484 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（a）-0236-02

VO2作为一种热致相变氧化物，在68 ℃附近由低温半导体单斜晶相转变为高温金红石四方晶金属相，同时电阻率、磁化率、光透射率和反射率发生突变，可以用来制作光电开关材料、热敏电阻材料、光电信息存储器、节能涂层以及可变反射镜等器件[1-3]。掺杂能有效地改变VO2的相变温度，且相变前后光、电性能变化幅度较大，使得掺杂后的VO2具有更加广阔的应用前景。

1 实验

水热法是在高温高压下，在水（水溶液）或蒸气等流体中进行有关化学反应的方法[4]。水热合成法可以控制反应温度、反应物浓度及物料配比等，在较低的温度下就能进行，得到的几纳米至几十纳米的粉体。另外采用水热法制备产物所需的仪器设备较为简单，合成温度低并且容易操作。掺杂能有效地改变VOX的电子输运及半导体-金属相变特性，研究发现，通常在VO2中掺入W6+、MO6+、F1-、Nb5+、Fe3+元素可以有效地使相变温度降到室温或者更低，Cr3+、Ge4+、Al3+、Ga3+元素可以使相变温度升高[5]，使得VO2作为热致相变材料具有很好地应用前景。单一掺杂元素改变VO2相变温度的能力有限，该实验采用水热法同时掺杂Ti4+、F1-两种杂质离子，讨论Ti4+、F1-掺杂对二氧化钒粉体相变特性的影响。

实验设计：该次实验选用分析纯五氧化二钒（V2O5）为原料，草酸（H2C2O4）为还原剂，通过水热法在制备VO2粉体的同时掺杂杂质离子，加入40%的HF体积比为1∶100，Ti4+离子的加入量4%、7%和10%，然后在180 ℃的温度下反应时间12 h、18 h和24 h，最终得掺杂了F-与Ti4+的VO2粉体。反应公式如下：

2 实验结果及数据分析

2.1 产物颜色分析

从表1中可以看出，随着反应时间的增长产物的颜色逐渐加深，说明其中VO2的含量逐渐增多，增加反应时间有利于VO2的生成；随着Ti4+离子掺杂量的增加产物的颜色没有明显变化，说明杂质离子的加入对反应没有明显影响，但杂质离子的掺入量对VO2粉体的光学性质影响较大。

2.2 相同反应时间不同掺杂浓度产物电阻率的比较

由图1可以看出，掺入杂质离子后VO2的相变温度明显降低，由为掺杂是的68 ℃降到40 ℃左右。F-离子一定时，随着Ti4+离子的浓度的升高，VO2的相变温度并没有明显改变，但VO2的电阻率的突变区间由500-250 Ω·S减小到250-200 Ω·S，电阻率突变区间逐渐变窄。由此也可以看出，掺杂浓度并不是越大越好。反应时间为18 h和12 h时情况类似。

2.3 相同反应时间不同掺杂浓度产物电阻率的比较

由图2可以看出，掺杂浓度为4%时VO2的电阻突变点在40 ℃左右，电阻率从500-250 Ω·S降低到150-100 Ω·S，突变区间明显减小。掺杂浓度为7%和10%时情况类似，只是VO2的电阻突变区间减小更多。

综上所述，同时掺杂F-和Ti4+离子能明显降低VO2的相变温度，掺杂后VO2的相变温度在40 ℃左右，使VO2的相变温度降低了28 ℃。另外反应时间为24 h，掺杂浓度为4%时VO2的电阻率从500-250 Ω·S，电阻率改变值约250 Ω·S，电阻突变区间最大。

3 结语

该实验采用水热法制备VO2粉体，在实验制备过程中同时掺杂F-与Ti4+两种离子，实验得到的最佳反应条件为：在温度180 ℃，反应时间为24 h，加入40%的HF体积比为1∶100，Ti4+离子掺杂量为4%，得到掺杂后的VO2的相变温度在40 ℃左右，使VO2的相变温度降低了28 ℃。

参考文献

[1] 颜毅.红外成象仿真技术[J].红外与激光技术，1991（4）：1.

[2] 范樵乔，黄维刚，涂铭连.掺杂VO2的特性、制备方法及应用[J].四川冶金，2006，28（3）：13-16.