VO-,2-薄膜制備及其應(yīng)用性能基礎(chǔ)研究.pdf

1、攀鋼(集團(tuán))公司是我國最重要的鋼鐵釩鈦基地，攀西地區(qū)蘊(yùn)藏有豐富的釩鈦磁鐵礦資源，其中釩資源占全國的63％以上。三十多年來，攀鋼(集團(tuán))公司利用釩鈦磁鐵礦資源生產(chǎn)了大量的鋼材，以及大量的釩渣、V2O5、V2O3、釩鐵等釩產(chǎn)品，使我國成為世界上主要的產(chǎn)釩國之一。但是，釩資源的綜合利用程度還不夠高，釩產(chǎn)品的種類還較少、產(chǎn)品檔次和科技含量還比較低。因此研究開發(fā)新的、高科技含量的釩產(chǎn)品，從而進(jìn)一步提高釩資源綜合利用水平，是非常必要和迫切的。

2、 對功能材料VO2薄膜的研究倍受人們的關(guān)注。因?yàn)樗囊粋€(gè)重要特性就是在較低溫度(68℃)下發(fā)生金屬—半導(dǎo)體相變(簡稱M-S相變)，同時(shí)伴隨光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)的突變。已有的研究中均以純含釩原料來制備VO2薄膜，迄今為止，尚未見以工業(yè)V2O5為原料制備VO2薄膜的研究報(bào)道。在攀鋼工業(yè)V2O5大量存在且價(jià)格較低的條件下，研究以它為原料來制備VO2薄膜，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 本研究得出了如下的研究結(jié)果(結(jié)論)：(1)在實(shí)驗(yàn)室中打通了以

3、片狀工業(yè)V2O5晶體為原料、用改進(jìn)無機(jī)溶膠-凝膠法制備V2O5溶膠-凝膠的工藝流程。制備V2O5溶膠的適宜工藝參數(shù)為：熔化V2O5的溫度(800～900)℃、恒溫時(shí)間(5～20)min；通過控制工藝參數(shù)來控制V2O5溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)變。該工藝參數(shù)為：溶膠中V2O5濃度須大于20g/L，同時(shí)熔化V2O5的溫度(800～900)℃，恒溫時(shí)間(5～15)min。 (2)選擇旋涂法和浸涂法作為日常的涂膜方法，可完全滿足涂膜試驗(yàn)的要求。采用

4、旋涂法時(shí)，膠體粘度越大、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)越小、襯底越靠近旋轉(zhuǎn)中心，則薄膜厚度越大；采用浸涂法時(shí)，膠體粘度越大、密度越小，則薄膜厚度越大，反之則越小。適宜的凝膠粘度為(1.0～3.0)Pa·S。 (3)改制和自制的涂膜裝置以及研制的薄膜電阻-溫度測量裝置，均能滿足常規(guī)實(shí)驗(yàn)要求，預(yù)期的效果較好。自制的浸涂法涂膜裝置提拉速度為(1.5～3.0)mm/S；溫度-電阻測量裝置的主要性能指標(biāo)為：使用溫度范圍為室溫～150℃，溫度控制精度為±1℃，升

5、溫速度(1～2)℃/min，降溫速度約2℃/min，當(dāng)啟用冷卻系統(tǒng)時(shí)，降溫速度為(3～5)℃/min。 (4)用H2還原法和N2熱分解法由V2O5薄膜制取VO2薄膜，無論在理論上還是在工藝上都是可行的。在實(shí)驗(yàn)室中打通了N2熱分解法和H2還原法制備VO2薄膜的工藝流程，在普通玻璃襯底和石英玻璃襯底上制備出了具有顯著M-S相變特征的VO2薄膜，并得出了適宜的工藝參數(shù)。N2熱分解法的適宜工藝參數(shù)為：熱分解溫度450℃，恒溫時(shí)間(13～

6、20)h，薄膜厚度10.4μm，N2流量1L/mim；H2還原法的適宜工藝參數(shù)為：薄膜厚度10.4μm，還原溫度400℃，恒溫時(shí)間(3～5)h，H2流量也為1L/min。在同等條件下，采用H2還原法、以石英玻璃作襯底是較好的VO2薄膜制備條件。 (5)由N2熱分解法制備VO2薄膜的電阻突變數(shù)量級在普通玻璃襯底上最大可達(dá)2.2，在石英玻璃襯底上最大可達(dá)2.6；由H2還原法制得的VO2薄膜的電阻突變數(shù)量級在普通玻璃襯底上最大可達(dá)2.

7、6，在石英玻璃襯底上最大可達(dá)3.2；VO2薄膜的電阻突變溫度約為35℃，接近室溫，比純VO2晶體的理論相變溫度(68℃)降低了約33℃。采用上述兩種方法制備VO2薄膜的電阻突變數(shù)量級總體上達(dá)到了國內(nèi)外用純含釩原料、在非晶體襯底上VO2薄膜的電阻突變數(shù)量級水平。 (6)VO2薄膜的電阻突變溫度滯后(⊿TMS)為(1～4)℃。制備方法、襯底材質(zhì)和S值的大小對⊿TMS有較大影響。由H2還原法制得VO2薄膜的⊿TMS比N2熱分解法的??；

8、石英玻璃襯底上的⊿TMS比普通玻璃襯底上的小；S值較大時(shí)⊿TMS較小，反之則較大；在自然放置條件下、短時(shí)間內(nèi)VO2薄膜可經(jīng)受反復(fù)多次的M-S相變，其S值及⊿TMS幾乎沒有變化，但隨放置時(shí)間的延長以及受周圍環(huán)境氣氛的影響而逐漸降低。 (7)雜質(zhì)可使VO2薄膜的電阻突變溫度降低，同時(shí)又可使電阻突變數(shù)量級減小。單一的離子半徑較大的雜質(zhì)或多元的使晶體中鍵長總體上伸長的雜質(zhì)，都可使VO2薄膜的電阻突變溫度降低；摻入MoO3時(shí)VO2薄膜電阻

9、率突變數(shù)量級隨摻入量的增大而減小，可用推導(dǎo)出的理論公式來預(yù)測MoO3摻入量對VO2薄膜電阻突變數(shù)量級的影響；由于雜質(zhì)總含量較多，以工業(yè)V2O5為原料制備VO2薄膜的電阻突變溫度、電阻突變數(shù)量級分別低于、小于以分析純V2O5為原料制備VO2薄膜的電阻突變溫度和電阻突變數(shù)量級。 (8)V2O5薄膜和VO2薄膜都會(huì)被自來水、H2SO4溶液和KOH溶液侵蝕，侵蝕形式既有脫落又有溶解。隨烘干時(shí)間延長，V2O5薄膜的耐蝕時(shí)間大幅度延長；H2