發(fā)布時間：2020-05-20 20:43

【摘要】：二氧化釩(VO_2)是一種相當(dāng)獨特的相變金屬氧化物,它具有金屬-絕緣體(Metal-Insulator,MI)一級可逆相變的特性。在絕緣相的結(jié)構(gòu)為單斜結(jié)構(gòu),在金屬相的結(jié)構(gòu)為四方金紅石結(jié)構(gòu)。MI相變發(fā)生在340 K附近,在相變過程中電導(dǎo)率發(fā)生5個數(shù)量級的突變。同時,相變溫度可以通過離子摻雜和外部應(yīng)力調(diào)控,相變過程甚至可以發(fā)生在室溫以下。由于這些顯著的特性,VO_2在光開關(guān)器件,存儲器件和智能窗等實際應(yīng)用中具有很大的潛力。單斜相VO_2的能隙為0.6 eV,通常被用于半導(dǎo)體材料。對于一些金屬氧化物,氧空位的存在會影響功函。例如,氧缺陷的存在可以使MoO_x和WO_x(x3)的功函達(dá)到6.9 eV(沒有氧缺陷時的功函為5.3 eV)。具有高功函的有機半導(dǎo)體的(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)HOMO能級可以發(fā)生費米釘扎,實現(xiàn)歐姆接觸,因此這類材料通常是有機電子器件的理想的空穴注入電極。同樣,VO_2的功函也會受氧空位的影響,但是文獻報道的功函數(shù)值低于5.7 eV,因此VO_2很少應(yīng)用于有機半導(dǎo)體的空穴注入電極。而我們研究發(fā)現(xiàn),原子級清潔和符合化學(xué)計量數(shù)的VO_2的功函可以達(dá)到6.7 eV,是可以作為有機半導(dǎo)體的空穴注入電極的。本文的工作分為兩部分:第一項工作我們利用X射線光電子能譜(X-ray Photoemission Spectroscopy,XPS)和真空紫外光電子能譜(Ultraviolet Photoemission Spectroscopy,UPS)研究了在α-Al_2O_3基底上用脈沖激光沉積的VO_2薄膜。我們發(fā)現(xiàn),VO_2的表面電子結(jié)構(gòu)由MI相變特性和氧空位的密度決定,MI相變特性和氧空位都受超高真空(Ultrahigh Vacuum,UHV)條件下的溫度的影響。原子級清潔和符合化學(xué)計量的VO_2表面是絕緣的,具有高達(dá)6.7 eV的功函�；瘜W(xué)計量數(shù)的VO_2在UHV中加熱至相變溫度以上誘導(dǎo)產(chǎn)生金屬相,同時形成氧缺陷(在本課題中高達(dá)6%),但功函保持6 eV。為了證明VO_2作為有機半導(dǎo)體的空穴注入電極的適用性,我們研究了它與典型有機空穴傳輸材料N,N'-二(1-萘基)-N,N'-二苯基-(1,1聯(lián)苯)-4,4'-二胺(N,N’-di(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine,NPB)的能級排布。NPB界面發(fā)生了強烈的費米能級釘扎和能級彎曲,為空穴注入提供歐姆接觸。第二項工作中,我們將VO_2薄膜經(jīng)過不同條件的濺射和氧氣或無氧退火處理后,通過測量XPS和UPS獲得VO_2薄膜的電子結(jié)構(gòu)包括芯能級電子的變化,價帶演變和功函變化等基本信息。我們發(fā)現(xiàn),濺射和在真空環(huán)境中退火會在VO_2表面引入較低氧化態(tài)的釩,導(dǎo)致費米能級附近的V 3d相關(guān)能帶的態(tài)密度增加。然而,在O_2環(huán)境下退火會得到符合化學(xué)計量的VO_2,其具有高達(dá)6.7 eV的功函,因此VO_2的功函受表面上氧和釩(O/V)原子比的顯著影響。
【圖文】：

構(gòu)中表現(xiàn)出從絕緣態(tài)的單斜晶相到金屬態(tài)的金紅石相這一現(xiàn)象在 50 多年前由 Westman 和 Morin 發(fā)現(xiàn)[29, 3量為 82.94 g/mol。其在低于 340 K 時表現(xiàn)為單斜相，40 K 時為金紅石相，密度為 4.653 g/cm3[31]。如圖 結(jié)構(gòu)，包含兩個晶胞，每個晶胞含有 2 個釩和 4 個氧排列，即釩原子形成四方晶格，被氧八面體包圍。當(dāng)時，釩原子之間形成二聚體并且二聚體沿著金紅石 c的擾動，而釩原子的移動量較大，，這種結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致（單斜晶胞含有 4 個釩和 8 個氧原子）[32]。除了通過格結(jié)構(gòu)外，兩種晶相在拉曼光譜中都顯示出了明顯的拉曼活性聲子模式[33-35]。相反，金紅石相僅顯示 光譜檢測為非常寬的峰，如圖 1-2 所示[34]。

圖 1-2 VO2拉曼光譜[34]在相變溫度前后 VO2的電導(dǎo)率變化高達(dá)五個數(shù)量級，標(biāo)志的轉(zhuǎn)變[37]。由于存在潛熱和散熱容，VO2的相變屬于一階+和 O2-離子的原子軌道以及相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)，Goodenough 首子結(jié)構(gòu)[38]。由于中心釩原子位于金紅石結(jié)構(gòu)中的氧八面體被八面體晶體場分裂成被一個電子占據(jù)的 eg和 t2g能帶。t2gy2軌道以較低的能量分離出d∥，而其余的 t2g軌道被稱為 π*[3中，兩條能帶都與費米能級重疊。但在單斜相中是不同的，其們沿金紅石 cr軸的配對導(dǎo)致d∥帶的分裂和 π*向高能量的移動odenough 認(rèn)為由于結(jié)構(gòu)扭曲導(dǎo)致的分裂足以引起帶隙的產(chǎn)生VO2具有圖 1-3（a）所示的單斜晶系結(jié)構(gòu)。單斜晶相具有沿著4+
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN304

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 Jinying Wang;Shibin Deng;Zhongfan Liu;Zhirong Liu;;The rare two-dimensional materials with Dirac cones[J];National Science Review;2015年01期

2 張晉虎;付引霞;雷永香;;原子軌道能和體系總能量的關(guān)系[J];山西師大學(xué)報(自然科學(xué)版);1991年03期

本文編號：2673176