12036-21-4 / 二氧化釩——未來電子業(yè)的革命性材料

背景

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

二氧化釩因其獨特屬性成為取代硅材料用于新一代低功耗電子設備的理想選擇。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)以實現(xiàn)可編程射頻電子功能，凸顯了這種氧化物的應用潛力。

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)為金屬導體。這是由于其原子結構在溫度高于68攝氏度后能從室溫晶體結構轉變?yōu)榻饘俳Y構，轉變發(fā)生的時間還不到1納秒，這對電子應用來說是一個優(yōu)勢。相關研究讓很多人相信，二氧化釩可能成為未來電子業(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，因為對現(xiàn)代電子器件來說，許多電路必須保證能在100攝氏度下完美運行，而68攝氏度這一轉換溫度實在太低了。此外，二氧化釩對其他因素也很敏感，如通電或在太赫茲輻射脈沖下都可能導致其發(fā)生相變。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學研究人員先前通過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，他們在射頻應用上又有突破，首次利用二氧化釩以及相變開關技術制造出超緊湊、可調節(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。相關論文已發(fā)表在美國電氣與電子工程師學會開源期刊IEEE Access上。

應用

多年來，科研人員研究了各種外界刺激條件下的VO2相變行為和相關的器件應用，具體的相變激勵源包括熱、光，電，電化學，磁，應力等，不同刺激條件下的VO2相變過程和應用存在很大差異。從VO2相變及相變引起的獨特物理化學性能出發(fā)，依次總結了熱，光，電，電化學，應力以及磁場等不同刺激下VO2相變機理和對應刺激條件下的VO2器件響應和應用。

其中，熱誘導的VO2相變仍占據(jù)主導，應用范圍包括智能節(jié)能窗、目標偽裝、熱整流、射頻開關、諧振器、驅動器、溫敏器件和場發(fā)射器件；光致VO2相變快速、便捷，有利于研究相變動力學過程，相關器件應用包括光存儲、全光開關、光電探測器、光晶體管等；電場誘導的VO2相變器件結構簡單，應用前景廣闊，可用作電開關、場效應晶體管、電子振蕩器、憶阻器、射頻開關、電光調制器等；電化學條件下的離子摻雜和靜電效應引起的VO2相變，可用于離子液體場效應管和電致變色器件；應力會改變中的VO2晶格常數(shù)，從而改變其電子結構引起相變，并可用作柔性應力傳感器；VO2在相變過程中磁化率也會發(fā)生突變，使其在磁制冷和自旋電子器件領域具有潛在的價值。