一维VO2/TiO2超晶格纳米结构制备、相变机制及其磁电性能研究

本项目采用催化辅助的气相输运、MOCVD、PLD和ALD等技术，通过结构设计、优化工艺、调节生长参数,实现具有半金属、零带隙特性的一维VO2/TiO2超晶格纳米结构的控制合成。利用多功能物理性能测试系统、角分辨光发射谱测试系统、高精度材料表征和超快非线性光谱测试设备等实验手段，对制备的一维VO2/TiO2超晶格纳米结构的电子结构、自旋、电子输运、光学、磁学性能等物理效应进行研究。采用第一性原理密度泛函、Dirac方程和Dirac方程的推广传递矩阵等理论方法，研究材料的能带结构、界面作用、半金属特性、量子霍尔效应和电荷输运性质，阐明一维VO2/TiO2超晶格纳米材料的相变机理、电荷输运机制、磁性来源以及材料微结构对相变温度、光电磁性能的影响。探索研发基于一维VO2/TiO2超晶格纳米材料的高性能、低功耗自旋电子原型器件。

本项目顺利完成了计划书所制定的任务，共发表了SCI收录论文31篇，申请了中国发明专利11项，并已获授权4项，共培养博士2名，硕士4名。本项目在理论上研究了VO2的相变机理，探索了利用纳米效应及微结构对材料物性的影响及调控作用。研究了由Co掺杂的TiO2室温稀磁半导体作为磁性层，VO2作为中间层所组成的稀磁半导体多层膜结构，结果表明Co掺杂的TiO2/VO2稀磁半导体多层膜可以成为室温下的半导体巨磁阻器件。实验上以钒氧化物中VO2和V2O5为研究对象，用水热法和气相合成的方法分别制备了不同形貌的B相和具有相变特性的M1相VO2纳米结构以及VO2/ZnO核壳纳米结构，并研究VO2纳米结构的生长机理和形貌控制技术。合成了具有大比表面积的B相VO2花状纳米结构，通过高温相转变的方式得到M1相VO2花状纳米结构，基于这两种类型的VO2材料研究了其湿度传感器性能。合成了不同形貌的B相和M1相VO2纳米结构，对两种不同类型的VO2纳米材料的场发射特性进行了首次研究，并着重研究了M1相VO2束状纳米结构的变温场发射性能。首次通过CVD方法大批量合成了具有多孔壁的V2O5多孔纳米管。基于单根多孔壁V2O5纳米管构造的湿度传感器展现了对湿度的快速的响应能力。利用V2O5多孔壁纳米管作为锂电池阴极材料，展现了大的锂电存储容量，很好的可逆性和循环稳定性，以及高效Li+电化学动力学行为。由于V2O5多孔壁纳米管具有多孔和中空特性，可以极大地提高其与电解液的接触面积，大大的缩短Li+在电化学反应过程中的扩散距离，从而大幅改善其电化学性能。研究比较了多种不同形貌的V2O5纳米结构的场发射性能，分析了形貌对其场发射性能的影响。