二氧化钒纳米颗粒薄膜的金属—半导体相变

【摘要】：二氧化钒(VO2)在340K附近会发生一阶的金属-半导体相变,从低温单斜晶相转变成高温金红石四方晶相,并同时伴随着电阻率、近红外区域透射率和反射率的突变。热致相变产生的应变对体材料会造成很大的危害,而VO2薄膜和纳米粒子点阵则没有这个问题。 本文以金属钒V为先驱物,通过等离子体气相聚集团簇束流沉积的方法制备含有VO2成分的钒氧化物纳米粒子组装薄膜。室温下半导体相的VO2纳米颗粒,由于量子限制效应导致光学带隙由大块的0.7eV展宽到1.8-2.1eV,并且带隙展宽随着尺寸的减小而进一步增大。高温金属相的VO2纳米颗粒,不同于大块VO2单晶和薄膜,存在460nm附近的半宽度约为50nm的消光峰,以及在近红外光区的峰位置约为1600nm、半宽度达1000nm以上的强消光峰,分别与表面等离激元的多极子共振模与偶极共振模相关。并且前者随纳米粒子尺寸的增大而红移,而后者则随纳米粒子尺寸的增大而蓝移。20nm的VO2纳米颗粒的光学热滞回线,其金属-半导体相变过程跨越15K的温度区域,升温-降温过程滞后约25K。随着纳米颗粒尺寸的减小,迟滞回线宽度减小,相变温度也降低。VO2纳米颗粒薄膜呈现出显著的光学开关效应,在近红外光区,通过表面等离激元共振,透射率动态范围达到2.63。与光学热滞回线对比,加热时的电学热滞回线的相变起始温度低于光学热滞回线约5K,起源于VO2纳米颗粒点阵中光学性质与电学性质的金属-绝缘体转变具有不同的机制：光学过程由孤立纳米粒子的金属-半导体转变所主导；而电学过程则是由纳米粒子本身的金属-半导体转变和点阵整体的金属-绝缘体转变所共同支配。通过对变温Ⅰ-Ⅴ曲线的分析,确定出相变前后VO2纳米颗粒薄膜的电荷传导均满足Schottky机制。