12036-21-4 / 二氧化釩——未來(lái)電子業(yè)的革命性材料

背景

二氧化釩（VO2）是一種強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系二元氧化物，由于其內(nèi)部電子、軌道、晶格和自旋的強(qiáng)相互作用，外界微小刺激引起的局域電子和晶體結(jié)構(gòu)的變化即可誘導(dǎo)VO2發(fā)生可逆的金屬-絕緣體相變。伴隨相變，VO2的晶體結(jié)構(gòu)、電阻、紅外光透過(guò)率、折射率和磁化率等發(fā)生急劇的變化。正是因?yàn)閂O2近室溫的相變溫度和相變前后物理化學(xué)性質(zhì)的突變，使其在電子、軍事、日常生活等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

二氧化釩因其獨(dú)特屬性成為取代硅材料用于新一代低功耗電子設(shè)備的理想選擇。瑞士研究人員近日展示了將二氧化釩用于航空航天通信系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)可編程射頻電子功能，凸顯了這種氧化物的應(yīng)用潛力。

特性

二氧化釩具有相變特性，形態(tài)可在絕緣體和金屬之間轉(zhuǎn)換，在室溫下表現(xiàn)為絕緣體，在68攝氏度以上則表現(xiàn)為金屬導(dǎo)體。這是由于其原子結(jié)構(gòu)在溫度高于68攝氏度后能從室溫晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俳Y(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變發(fā)生的時(shí)間還不到1納秒，這對(duì)電子應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究讓很多人相信，二氧化釩可能成為未來(lái)電子業(yè)的革命性材料。

然而，要釋放二氧化釩的全部潛能并非易事，因?yàn)閷?duì)現(xiàn)代電子器件來(lái)說(shuō)，許多電路必須保證能在100攝氏度下完美運(yùn)行，而68攝氏度這一轉(zhuǎn)換溫度實(shí)在太低了。此外，二氧化釩對(duì)其他因素也很敏感，如通電或在太赫茲輻射脈沖下都可能導(dǎo)致其發(fā)生相變。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)研究人員先前通過(guò)向二氧化釩薄膜中添加稀有金屬材料鍺，將二氧化釩的相變溫度提高到100攝氏度以上。在最新研究中，他們?cè)谏漕l應(yīng)用上又有突破，首次利用二氧化釩以及相變開(kāi)關(guān)技術(shù)制造出超緊湊、可調(diào)節(jié)的頻率濾波器。這種新型濾波器尤其適用于空間通信系統(tǒng)使用的頻率范圍。相關(guān)論文已發(fā)表在美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)開(kāi)源期刊IEEE Access上。

應(yīng)用

多年來(lái)，科研人員研究了各種外界刺激條件下的VO2相變行為和相關(guān)的器件應(yīng)用，具體的相變激勵(lì)源包括熱、光，電，電化學(xué)，磁，應(yīng)力等，不同刺激條件下的VO2相變過(guò)程和應(yīng)用存在很大差異。從VO2相變及相變引起的獨(dú)特物理化學(xué)性能出發(fā)，依次總結(jié)了熱，光，電，電化學(xué)，應(yīng)力以及磁場(chǎng)等不同刺激下VO2相變機(jī)理和對(duì)應(yīng)刺激條件下的VO2器件響應(yīng)和應(yīng)用。

其中，熱誘導(dǎo)的VO2相變?nèi)哉紦?jù)主導(dǎo)，應(yīng)用范圍包括智能節(jié)能窗、目標(biāo)偽裝、熱整流、射頻開(kāi)關(guān)、諧振器、驅(qū)動(dòng)器、溫敏器件和場(chǎng)發(fā)射器件；光致VO2相變快速、便捷，有利于研究相變動(dòng)力學(xué)過(guò)程，相關(guān)器件應(yīng)用包括光存儲(chǔ)、全光開(kāi)關(guān)、光電探測(cè)器、光晶體管等；電場(chǎng)誘導(dǎo)的VO2相變器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用前景廣闊，可用作電開(kāi)關(guān)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電子振蕩器、憶阻器、射頻開(kāi)關(guān)、電光調(diào)制器等；電化學(xué)條件下的離子摻雜和靜電效應(yīng)引起的VO2相變，可用于離子液體場(chǎng)效應(yīng)管和電致變色器件；應(yīng)力會(huì)改變中的VO2晶格常數(shù)，從而改變其電子結(jié)構(gòu)引起相變，并可用作柔性應(yīng)力傳感器；VO2在相變過(guò)程中磁化率也會(huì)發(fā)生突變，使其在磁制冷和自旋電子器件領(lǐng)域具有潛在的價(jià)值。