基于二氧化钒相变的低功耗驱动器的制备和应用

Vanadium dioxide (VO2) possesses a thermally-activated phase transition from metal to insulator at 68 degree C. Accompanied with its phase transition, the structure of VO2 also alters from monoclinic at the insulator phase to rutile at the metal phase, which outputs a work density as high as 7 J/cm^3 along the c axis of the rutile structure. This value is two orders of magnitude higher than piezoelectric materials and almost three orders of magnitude higher than human muscles. Therefore VO2 is an ideally actuating material that converts thermal energy to mechanical energy. However, its relatively high phase-transition temperature leads to a high power consumption of actuator devices when driving them by electrical current or light. This project will build up two approaches to lowering the power consumption of VO2-based actuators for the purpose of driving the devices with solar energy or human body temperature. The approaches include lowering the phase transition temperature of VO2 through tungsten doping, and coating the actuator devices with electrically conductive and optically absorptive carbon nanotube films. Complex actuator devices with multi-functions will also be developed and demonstrated. This project is of vital importance in both fundamental and application studies, which will not only deepen the understanding of the structural phase transition in tungsten-doped VO2, but also broaden the application of VO2-based actuators in biology- and energy-related fields.

二氧化钒在68摄氏度时会发生热驱动的金属-绝缘体相变，其晶格也由绝缘相的单斜结构变为金属相的四方结构。在此过程中沿四方结构c轴输出的功密度高达7 J/cm^3，这比压电陶瓷高出2个量级，比人类的肌肉高出近3个量级，因此二氧化钒是一种理想的将热能转化为机械能的驱动材料。但是，其相对较高的相变温度使得其在使用电、光等方式加热驱动时需要较高的功耗，限制了这种驱动器件的应用范围。本项目将发展两种手段降低基于二氧化钒的驱动器件的功耗，一方面通过钨掺杂降低二氧化钒的相变温度，另一方面覆盖碳纳米管薄膜提高器件的电导率和光吸收率，达到利用太阳光或人体温度来驱动器件的目的，并进一步开发基于钨掺杂二氧化钒的复杂驱动器件。本项目一方面可以加深人们对于钨掺杂二氧化钒中的结构相变的理解，另一方面可以拓宽基于二氧化钒的驱动器件在生物领域和能源领域的应用范围，因此在基础研究和应用研究方面都具有重要的意义。

二氧化钒（VO2）在68摄氏度时会发生热驱动的金属-绝缘体相变，其晶格也由绝缘相的单斜结构变为金属相的四方结构。在此过程中沿四方结构c轴输出的功密度高达7 J/cm^3，这比压电陶瓷高出2个量级，比人类的肌肉高出近3个量级，因此VO2是一种理想的将热能转化为机械能的驱动材料。但是，其相对较高的相变温度以及相对较低的电导率和光吸收率使得其在使用电、光等方式加热驱动时需要较高的功耗，限制了这种驱动器件的应用范围。本项目针对这一关键问题，发展出两种手段降低基于VO2的驱动器件的功耗，一方面通过钨掺杂降低VO2的相变温度，另一方面覆盖碳纳米管（CNT）薄膜提高器件的电导率和光吸收率。通过这两方面的尝试，成功实现了VO2与CNT薄膜的复合，制备出具有优异的驱动性能和特定功能的VO2/CNT驱动器件；调节VO2的相变温度至37摄氏度附近，大大降低了VO2/CNT驱动器的能耗，实现了电、光、热甚至体温等外界激励源的有效驱动；发展出螺旋形VO2/CNT纳型驱动器，在减小器件尺寸的同时提高了器件对光的吸收效率；将VO2相变调制的概念拓展到其它材料体系，发展出VO2/WSe2双模态光电探测器。在本基金三年的支持下，项目负责人作为第一/通讯作者在Materials Today、Nano Letters、Applied Physics Reviews、ACS Nano、Nanoscale等刊物发表SCI 论文18篇，其中影响因子10 以上论文8篇；授权发明专利5项；在国际/国内学术会议上做邀请报告5次，其中在2019年6月新加坡举办的第10届国际先进技术材料大会第II分会场上获新星报告奖一等奖（Rising Star Speaker Award, First Prize）；培养博士后3名，硕士研究生1名。本项目的顺利执行为负责人进一步从事相关的材料和器件研究奠定了良好的基础。