本文選題：VO_2納米線　切入點(diǎn)：金屬-絕緣體相變　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)中,二氧化釩(VO_2)是最典型的具有金屬-絕緣體相變(metal-insulator transition,MIT)特性的過(guò)渡金屬氧化物。由于VO_2特殊的d電子軌道結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng),使其顯示出十分豐富的物理和化學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)具有MIT相變特性的二氧化釩包含兩種不同的同質(zhì)異形結(jié)構(gòu),分別是VO_2(A)和VO_2(M)。并且,低維納米VO_2(A)和VO_2(M)的相變?nèi)匀环浅ｏ@著,基于低維納米二氧化釩優(yōu)異的相變性能,可以被廣泛的應(yīng)用于傳感器、光電開關(guān)、電阻開關(guān)、Mott場(chǎng)效應(yīng)管和微納動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。當(dāng)下低維納米VO_2(A)和VO_2(M)的研究尚處于初始階段,尤其是一維納米二氧化釩的研究,其導(dǎo)電特性、M-R疇結(jié)構(gòu)形成、演變和穩(wěn)定機(jī)制以及相變調(diào)控機(jī)理仍不清晰�；诖�,本論文利用水熱合成和化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)分別制備了表面形貌光滑、單晶結(jié)構(gòu)的VO_2(A)和VO_2(M)納米線,通過(guò)自主搭建的熱-電微探針測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)研究了二氧化釩相變過(guò)程的導(dǎo)電特性,揭示了M-R疇結(jié)構(gòu)演變規(guī)律,探索了基底失配應(yīng)變對(duì)相變的調(diào)控機(jī)制,為相關(guān)微納器件研發(fā)奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:研究了VO_2(A)和VO_2(M)納米線的制備工藝,討論了合成條件對(duì)納米線形貌、結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)效率的影響。研究分析表明,在水熱合成VO_2(A)納米線中表面活性劑PEG-6000可以有效地促進(jìn)前驅(qū)體五氧化二釩向B相二氧化釩的轉(zhuǎn)變,避免了中間相V_3O_7?H_2O和V_6O_(13)的產(chǎn)生,使得合成VO_2(A)納米線的速度加快,反應(yīng)溫度降低;在化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備VO_2(M)納米線中,使用熔點(diǎn)較低的V2O5粉末作反應(yīng)源,將納米線的合成溫度降低到1133K,合成時(shí)間縮短至2h以內(nèi)。另外,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用未拋光的石英基底可以得到大量自由狀態(tài)(free-standing)的VO_2(M)納米線。研究了不同尺寸VO_2(A)納米線相變過(guò)程中的導(dǎo)電特性,通過(guò)第一性原理計(jì)算得到VO_2(A)的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙寬度,揭示了尺寸效應(yīng)對(duì)VO_2(A)相變的影響規(guī)律。第一性原理計(jì)算得到VO_2(A)高溫相時(shí)的禁帶寬度為0.75eV,低溫相時(shí)1.12eV。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)寬度在微米級(jí)的VO_2(A)納米線的相變伴隨有一個(gè)多數(shù)量級(jí)的電阻突變,相變溫度為444K。隨著納米線寬度的減小,其相變?cè)絹?lái)越遲緩,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明VO_2(A)納米線相變溫度與其寬度的倒數(shù)成正比。然而,當(dāng)VO_2(A)納米線尺寸降為72nm時(shí),固有的一階結(jié)構(gòu)相變完全消失,轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠A連續(xù)相變。TEM的形貌和結(jié)構(gòu)測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)VO_2(A)納米線的表面非常粗糙,表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很大差異。研究分析表明VO_2(A)納米線的表面粗糙指數(shù)與納米線寬度的倒數(shù)也成正比。這說(shuō)明尺寸越小的納米線,其表面效應(yīng)越顯著,而VO_2(A)納米線表面的異相成核在相變過(guò)程中扮演重要角色,因此VO_2(A)納米線表面效應(yīng)是導(dǎo)致尺寸效應(yīng)的直接原因。同時(shí),這也告訴我們?cè)趹?yīng)用相變材料時(shí)務(wù)必考慮其尺寸效應(yīng)的影響。通過(guò)對(duì)電滯回線、電阻突變率和相變溫度的對(duì)比分析,系統(tǒng)研究了失配應(yīng)變對(duì)VO_2(M)納米線M-R疇結(jié)構(gòu)演變、形成和穩(wěn)定的影響規(guī)律,討論了VO_2(M)納米線在失配應(yīng)變作用下的導(dǎo)電特性。研究結(jié)果表明隨著溫度的變化VO_2(M)納米線的M-R疇結(jié)構(gòu)成周期性變化。與自由狀態(tài)的VO_2(M)納米線相比,失配應(yīng)變作用下的VO_2(M)納米線相變溫度升高,相變滯后寬度增加,并在相變前表現(xiàn)出M1與M2的相互轉(zhuǎn)換。另外,受到基底失配應(yīng)變力的作用,VO_2(M)納米線表現(xiàn)出多級(jí)相變特性,這可以被應(yīng)用在快速多位存儲(chǔ)領(lǐng)域。探索了電壓調(diào)控VO_2(M)納米線相變的方法。通過(guò)加載合適的電壓使“鑲嵌”在SiO_2基底中的VO_2(M)納米線在絕緣相M和金屬相R之間相互轉(zhuǎn)換,其阻值突變達(dá)到3個(gè)數(shù)量級(jí),循環(huán)次數(shù)超過(guò)100次,基于這一性能可以將其開發(fā)為快速存儲(chǔ)器件。同時(shí),這也進(jìn)一步說(shuō)明可以通過(guò)對(duì)二氧化釩納米線形貌、結(jié)構(gòu)以及生長(zhǎng)方式的控制來(lái)調(diào)控其金屬-絕緣體相變。本論文中對(duì)VO_2(A)和VO_2(M)納米線制備、導(dǎo)電特性、尺寸效應(yīng)和相變調(diào)控的系統(tǒng)研究,揭示了一維納米二氧化釩基本的相變性質(zhì),提出了相變調(diào)控的方法,為一維納米相變二氧化釩的應(yīng)用和相關(guān)微納器件的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。
[Abstract]:Condensed matter physics and material science, two vanadium oxide (VO_2) is the most typical metal insulator transition (metal-insulator transition, MIT) transition metal oxide properties. The electron strong correlation effect due to VO_2 special d electronic configuration, which shows the physical and chemical properties are very rich. The study found that two of vanadium oxide with MIT transformation characteristics include two kinds of paramorph structure different, are VO_2 (A) and VO_2 (M). Moreover, the low dimensional nano VO_2 (A) and VO_2 (M) phase transition is very significant, phase change properties of low vanadium oxide based on Vinami two excellent, can be widely used in sensor, photoelectric switch, switch resistor, Mott FET and micro power driven fields. The low dimensional nano VO_2 (A) and VO_2 (M) research is still at the initial stage, especially on a Wiener two meters of vanadium oxide, the conductive properties of M The formation of -R domain structure, evolution and stability mechanism and the transformation mechanism is still not clear. Based on this, this paper using the hydrothermal synthesis and chemical vapor deposition (CVD) was prepared with smooth surface morphology were single crystal structure technology, VO_2 (A) and VO_2 (M) nanowires, the conductive properties of vanadium phase change process two the study of oxidation of self built thermo electric micro probe test platform system through the evolvement of M-R domain structure, explores the base mismatch strain regulation mechanism on the phase transformation, lay a theoretical and experimental basis for related micro nano devices. The main research contents and results are as follows: VO_2 (A) and VO_2 (M) preparation of nanowires, discussed the synthesis conditions on the morphology of the nanowires, affect the structure and growth efficiency. Research shows that in the hydrothermal synthesis of VO_2 (A) PEG-6000 surfactant nanowires can effectively promote the five of two vanadium precursor to B The two phase transition of vanadium oxide, to avoid the middle phase of V_3O_7? H_2O and V_6O_ (13) which makes the synthesis of VO_2 (A) nanowires speed, reaction temperature decreased; preparation technology of VO_2 in chemical vapor deposition (M) nanowires, using V2O5 powder with low melting point as a reaction the source, will reduce the synthesis temperature of nanowires to 1133K, synthesis time is shortened to less than 2H. In addition, the experiment found that the use of quartz substrate polishing can have a lot of free state (free-standing) VO_2 (M) nanowires. Effects of different size VO_2 (A) conductive properties of nanowires during phase transition, VO_2 by first principle calculation (A) band structure and band gap width, reveal the size effect of VO_2 (A) effect of phase transition. The first principle calculation of VO_2 (A) band width is 0.75eV when the high temperature phase, low temperature phase 1.12eV. experiments found that the width at the micron level VO_2 (A) na The phase transition is accompanied by resistance wire one magnitude mutation, the phase transition temperature is 444K. with the decrease of the nanowire width, the phase change more and more slow, statistical results show that the VO_2 (A) proportional to the reciprocal of the nanowires and its phase transition temperature width. However, when VO_2 (A) nanowires size reduced to 72nm, a order phase transition inherent completely disappeared, found VO_2 into the morphology and structure of the test of high order continuous phase transition analysis of.TEM (A) nanowires surface is very rough, there is a great difference between the surface and internal structure. The analysis shows that VO_2 (A) inverse surface roughness index and nanowire width is proportional. This shows that the smaller size of the nanowires, the surface effect is more obvious, and the VO_2 (A) nanowires surface nucleation plays an important role in the transformation process, so the VO_2 (A) surface effect of nanometer line is a direct cause of size effect at the same time, This also tells us to consider the impact of the size effect in the application of phase change materials. Through the comparative analysis of the hysteresis loop, the resistance mutation rate and phase transition temperature, the misfit strain of VO_2 (M) system to study the evolution of M-R nanowires of domain structure, influence the formation and stability of VO_2 (M), is discussed. The conductive properties of nanowires in the misfit strain under the action. The results show that with the temperature change of VO_2 (M) M-R domain structure of nanowires into periodic changes. With the free state of VO_2 (M) nanowires compared to the misfit strain under the action of VO_2 (M) phase transition temperature of nanowires increases, hysteresis the increase of the width, and show the conversion between M1 and M2 in the phase transformation. In addition, by substrate misfit strain force, VO_2 (M) nanowires exhibit multi phase transition properties, which can be applied in many fields. To explore the rapid storage voltage regulation of VO_2 (M) nanowires phase transition The appropriate voltage loading method. The "mosaic" in the basement of SiO_2 VO_2 (M) conversion between R nanowires in the insulating phase of M and metal, the resistance mutation of up to 3 orders of magnitude more than 100 times the number of cycles, the performance can be developed as a fast memory device based on. At the same time, it also said that through the morphology of two vanadium oxide nanowires, structure and control methods to control the growth of metal insulator transition. In this paper VO_2 (A) and VO_2 (M) conductive properties of nanowires, system research, size effect and transformation regulation, reveals the phase transition properties of one-dimensional two basic nano vanadium oxide, and puts forward the method of phase control, lay the foundation for development of application of one-dimensional nano phase change two vanadium oxide and related micro nano devices.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB383.1;TQ135.11

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7 張路f，

本文編號(hào)：1653776