基于单粒子理论模型的VO2(M/R)纳米粉体的相变特性研究

VO2 (M/R) material undergoes a semiconductor metal reversible primary structure phase transition at ~68 oC, concerned as a typical materials in physical chemistry and condensed matter physics. The phase transition process with a huge change in electrical, optical, magnetic and other physical characteristics, widely used in intelligent windows, storage, sensors, nanoelectronics and terahertz band regulation et.al. VO2(M/R) nanopowder are the main form of VO2(M/R) material application, but it shows great difference in phase transition temperature, phase transition cycle and hysteresis width with the bulk material. Understanding this phase change characteristics is meaningful in application. However, limited to the characterization ability, the study of the phase transition properties of VO2(M/R) nanopowders still remain in the discussion of statistical results. Based on the phase transition properties study of high quality VO2(M/R) nanopowders and the physical chemistry understanding of VO2(M/R) phase transition properties, the relationship between the specific factors (defects, stress) with particle size and morphology, and their influence on the phase transition characteristics will be analyzed. Finally, The hypothesis will be verified by the experimental results and obtained a understand on the physical and chemical properties of VO2(M/R) nanoparticles. Effective methods for controlling the transformation properties of VO2(M/R) nanoparticles will be developed based on this study.

VO2(M/R)材料68℃左右发生半导体-金属可逆结构相变，在物理化学和凝聚态物理领域广受关注。又其相变伴随电、光、磁等物理特性的突变，在智能窗、储存、传感器和纳米电子学等应用方面也受到广泛关注。VO2(M/R)纳米粉体是其主要形式应用，但在相变温度、相变周期和滞线宽度上显现出与块体材料极大的差异，有效控制这些相变特性，对其应用性有很大的贡献。目前，纳米粉体相变特性的研究还停留在统计规律的探讨上，缺少深入理解。本项目基于前期研究工作，拟在VO2(M/R)材料相变过程的物理化学认识基础上，从单粒子理想结晶模型入手，结合第一性原理计算，分析影响纳米粉体相变特性具体因素（缺陷、应力）与粒子尺寸、形貌的关系以及对相变特性的影响规律，并通过实验结果校验修正，最终获得纳米粉体相变特性的影响规律，以深入理解VO2纳米粒子相变特性的物理化学本质，寻找控制VO2(M/R)纳米粒子相变特性的有效方法。

VO2(M/R)材料在68℃左右发生半导体-金属可逆一级结构相变，是物理化学和凝聚态物理领域广受关注的典型材料。伴随相变过程发生的耦合电子轨道和晶体结构变化，VO2(M/R)的电、光、磁等物理特性出现突变，可广泛应用于智能窗、储存、传感器、纳米电子学和太赫兹波段调控等方面。VO2(M/R)相变特性对进一步提高VO2(M/R)智能窗节能效果，提升VO2(M/R)材料在各领域中的应用具有非常重要的作用。本项目以高结晶性的VO2纳米粒子为研究对象，研究VO2纳米粒子的相变特性产生原因及调控方法。取得以下成果：.1）针对VO2材料相变特性的梳理，对于解释VO2纳米粉体的相变过程中的反常问题具有很大的参考价值；.2）研究了掺杂控制VO2纳米粉体形貌及相变特性的方法。结果显示Zn、Mg和Cl离子的掺杂均能改变VO2纳米粒子的形貌，其中Zn离子有利于VO2粒状粒子的生成，Mg离子和Cl离子有利于短棒状纳米粒子的生成，其中Cl粒子的效果更佳明显；.3）打破对于VO2纳米粒子形貌与相变特性的关系的传统认识，对于单个纳米粒子来说，尺寸从数十到数百纳米范围内，其相变需要经过多个过程，而不是瞬间转变的，这验证了本项目最初提出的假设，对于认识VO2纳米粒子相变过程，调节VO2纳米材料的相变特性来说，是一个重要突破；.4）研究并验证了VO2纳米粒子是室温失效机制，该工作对于开展VO2纳米粉体的研究具有强的实用价值，同时对于VO2纳米粉体在各领域的应用也重要的价值。