二氧化釩微-納米線的相變特性及其在熱電轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用研究.pdf

1、本文圍繞智能材料二氧化釩(VO2)微/納米線進(jìn)行了深入的探討和研究,制備合成了單晶二氧化釩微/納米線,深入探索了這種納米材料的晶體結(jié)構(gòu),相變機(jī)理,力學(xué)性能,熱電性能和壓力.溫度相圖等方面基礎(chǔ)研究,并重點(diǎn)對(duì)這種微/納米線在高精度傳感器,廢熱利用等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究,完成了“制備-研究-應(yīng)用”全過程的研究工作。
　　 主要的研究和成果如下:
　　 (1)進(jìn)行了二氧化釩納米線和微米線的合成研制。通過物理氣相凝聚的方

2、法在硅片上制備了單晶的二氧化釩納米線和微米線。并經(jīng)過光刻法(photolitho-graphy)和濺射沉積法(sputtering)研制出了納米級(jí)電學(xué)測(cè)量裝置,并利用該裝置對(duì)二氧化釩納米線的電阻率和光反射率等隨溫度變化的相變特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究。
　　 (2)開展了二氧化釩納米線的力學(xué)性能的研究工作。通過原子力顯微鏡的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析得到該納米線相變前后的彈性系數(shù),以及各個(gè)相變因素(所受應(yīng)力、環(huán)境溫度、金屬元素的摻雜等等)對(duì)

3、二氧化釩納米線的楊氏模量的影響。然后在該力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究二氧化釩納米線在熱驅(qū)動(dòng)器、壓力傳感器及溫度傳感器上的應(yīng)用,尤其是在該納米線摻雜鎢后可在室溫下的應(yīng)用。
　　 (3)建立了二氧化釩納米線的熱電效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。設(shè)計(jì)二氧化釩納米線熱電效應(yīng)的性能測(cè)試裝置,并對(duì)該微/納米線的熱電系數(shù),ZT系數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析；研究了相變對(duì)其熱電轉(zhuǎn)換效率的影響,以及討論了二氧化釩在熱電材料方向的發(fā)展前景。

4、>　　 (4)通過實(shí)驗(yàn)直接觀察了二氧化釩的M2相結(jié)構(gòu)并完成了相圖的繪制。經(jīng)過細(xì)致的選區(qū)電子衍射分析(SEM),并結(jié)合XRD,TEM等實(shí)驗(yàn)方法,發(fā)現(xiàn)了M2相的α、β相分量排列:研制以VO2納米線為可彎曲電子元件,聚合物PDMA為可彎曲基底的納米級(jí)電學(xué)裝置,并利用此裝置測(cè)量二氧化釩納米線的電阻隨彈性應(yīng)力、基底溫度的變化,最終完成其應(yīng)力-溫度相圖的標(biāo)定。
　　 (5)建立相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究了在經(jīng)過不同壓電材料的沉積涂層處理后的二氧化

5、釩雙層微/納米線在廢熱利用領(lǐng)域的應(yīng)用。利用VO2雙層微/納米線受熱相變彎曲、冷卻復(fù)原的特性,在該微/納米線上鍍上壓電材料薄膜,使得該微/納米線在受熱彎曲、冷卻復(fù)原過程中將納米線吸收的熱能轉(zhuǎn)換為電能,從而形成一個(gè)熱電轉(zhuǎn)換裝置。經(jīng)過理論計(jì)算表明,當(dāng)熱源溫度為100℃時(shí),該裝置的理論熱電效率最高可達(dá)18.3％。在以上力學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上,利用輻射增大空穴濃度的方式來(lái)減小微/納米線的相變時(shí)滯寬度,從而提高該熱電轉(zhuǎn)換器的能量轉(zhuǎn)換頻率；另外還利用增