Оксид ванадия (IV) - Vanadium(IV) oxide

Оксид ванадия (IV)
VO2 crystal.jpg
Имена
Название ИЮПАК
Оксид ванадия (IV)
Другие названия
Диоксид ванадия
Тетроксид диванадия
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ECHA InfoCard 100.031.661 Отредактируйте это в Викиданных
Свойства
VO 2
Молярная масса 82,94 г / моль
вид Сине-черный порошок
Плотность 4,571 г / см 3 (моноклинная)
4,653 г / см 3 (тетрагональная)
Температура плавления 1,967 ° С
+ 99,0 · 10 −6 см 3 / моль
Структура
Искаженный рутил (<70 ° C, моноклинный)
Рутил (> 70 ° C, тетрагональный)
Опасности
Основные опасности токсичный
R-фразы (устаревшие) 36/37/38
S-фразы (устарели) 26-36 / 37/39
NFPA 704 (огненный алмаз)
точка возгорания Не воспламеняется
Родственные соединения
Другие анионы
Дисульфид
ванадия Диселенид
ванадия Дителлурид ванадия
Другие катионы
Оксид ниобия (IV) Оксид
тантала (IV)
Родственные оксиды ванадия
Оксид ванадия (II) Оксид
ванадия (III) Оксид
ванадия (V)
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
чек Y   проверить  ( что есть    ?) чек Y ☒ N
Ссылки на инфобоксы

Оксид ванадия (IV) или диоксид ванадия представляет собой неорганическое соединение с формулой VO 2 . Это темно-синее твердое вещество. Диоксид ванадия (IV) является амфотерным , растворяется в неокисляющих кислотах с образованием синего иона ванадила [VO] 2+ и в щелочи с образованием коричневого иона [V 4 O 9 ] 2- или при высоком pH [VO 4 ] 4− . VO 2 имеет фазовый переход, очень близкий к комнатной температуре (~ 66 ° C). Удельное электрическое сопротивление, непрозрачность и т. Д. Могут изменяться на несколько порядков. Благодаря этим свойствам он использовался в покрытии поверхностей, датчиках и изображениях. Потенциальные применения включают использование в устройствах памяти, переключателях с фазовым переходом, системах аэрокосмической связи и нейроморфных вычислениях .

Свойства

Структура

VO
2 структура. Атомы ванадия фиолетовые, а атомы кислорода розовые. Димеры V – V выделены фиолетовыми линиями на рисунке (а). Расстояния между соседними атомами ванадия на рисунке (б) равны.

При температурах ниже T c = 340 K (67 ° C) VO
2 имеет моноклинную ( пространственная группа P2 1 / c) кристаллическую структуру. Выше T c структура тетрагональная , как у рутила TiO.
2 . В моноклинной фазе ионы V 4+ образуют пары вдоль оси c, что приводит к чередованию коротких и длинных расстояний VV, составляющих 2,65 Å и 3,12 Å. Для сравнения, в фазе рутила ионы V 4+ разделены фиксированным расстоянием 2,96 Å. В результате количество ионов V 4+ в кристаллографической элементарной ячейке удваивается от рутиловой к моноклинной фазе.

Равновесная морфология рутила ВО
2 частицы игольчатые, с боков ограничены поверхностями (110), которые являются наиболее стабильными плоскостями завершения. Поверхность имеет тенденцию к окислению по отношению к стехиометрическому составу, при этом кислород адсорбируется на поверхности (110), образуя частицы ванадила. Наличие ионов V 5+ на поверхности VO
2 пленки подтверждены данными рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии .

Электронный

При температуре перехода от рутила к моноклинному (67 ° C) VO
2 также имеет переход от металла к полупроводнику в своей электронной структуре: фаза рутила является металлической, а моноклинная фаза является полупроводящей. Оптическая ширина запрещенной зоны ВО 2 в моноклинной низкотемпературной фазе составляет около 0,7 эВ.

Термический

Металлический VO 2 противоречит закону Видемана – Франца, согласно которому отношение электронного вклада теплопроводности ( κ ) в электрическую проводимость ( σ ) металла пропорционально температуре . Теплопроводность, которую можно отнести к движению электронов, составляла 10% от величины, предсказываемой законом Видемана – Франца. Причиной этого, по-видимому, является жидкий путь, которым электроны движутся через материал, уменьшая типичное случайное движение электронов. Теплопроводность ~ 0,2 Вт / м⋅К, электропроводность ~ 8,0 × 10 ^ 5 См / м.

Возможные области применения включают преобразование отработанного тепла двигателей и бытовых приборов в электричество или оконные покрытия для охлаждения зданий. При смешивании VO 2 с другими материалами теплопроводность изменялась . При низкой температуре он может действовать как изолятор, проводя тепло при более высокой температуре.

Синтез и структура

Нанозвезды оксида ванадия (IV)

Следуя методу, описанному Берцелиусом , В.О.
2 получают конпропорционирование из ванадия (III) оксид и ванадий (V) , оксид :

V
2 О
5 + V
2 О
3 → 4 ВО
2

При комнатной температуре VO 2 имеет искаженную структуру рутила с более короткими расстояниями между парами атомов V, что указывает на связь металл-металл. При температуре выше 68 ° C структура меняется на неискаженную структуру рутила, и связи металл-металл разрываются, вызывая повышение электропроводности и магнитной восприимчивости, поскольку связывающие электроны «высвобождаются». Происхождение этого перехода из изолятора в металл остается спорным и представляет интерес как для физики конденсированных сред, так и для практических приложений, таких как электрические переключатели, настраиваемые электрические фильтры, ограничители мощности, нано-осцилляторы, мемристоры , полевые транзисторы и метаматериалы .

Инфракрасное отражение

Спектры пропускания ВО
2 / SiO
2 фильм. Мягкий нагрев приводит к значительному поглощению инфракрасного света

VO
2 проявляет зависящие от температуры отражающие свойства. При нагревании от комнатной температуры до 80 ° C тепловое излучение материала обычно повышается до 74 ° C, а затем внезапно падает примерно до 20 ° C. При комнатной температуре VO
2 почти прозрачен для инфракрасного света. По мере повышения температуры он постепенно становится отражающим. При промежуточных температурах он ведет себя как хорошо поглощающий диэлектрик.

Тонкая пленка оксида ванадия на сильно отражающей подложке (для определенных длин волн инфракрасного излучения), такой как сапфир, либо поглощает, либо отражает в зависимости от температуры. Его излучательная способность значительно зависит от температуры. Когда оксид ванадия переходит с повышением температуры, структура подвергается внезапному снижению излучательной способности, что для инфракрасных камер выглядит более холодным, чем есть на самом деле.

Варьируя материалы подложки, например, до оксида индия и олова, и модифицируя покрытие из оксида ванадия с использованием легирования, деформации и других процессов, изменяются длины волн и диапазоны температур, в которых наблюдаются тепловые эффекты.

Наноразмерные структуры, которые естественным образом возникают в переходной области материалов, могут подавлять тепловое излучение при повышении температуры. Легирование покрытия вольфрамом снижает тепловой диапазон эффекта до комнатной температуры.

Использует

Управление инфракрасным излучением

Пленки из нелегированного и легированного вольфрамом диоксида ванадия могут действовать как «спектрально-избирательные» покрытия, блокируя передачу инфракрасного излучения и уменьшая потерю тепла внутри здания через окна. Варьируя количество вольфрама, можно регулировать температуру фазового перехода из расчета 20 ° С на 1 атомный процент вольфрама. Покрытие имеет легкий желто-зеленый цвет.

Другие потенциальные применения его тепловых свойств включают пассивный камуфляж, тепловые маяки, связь или намеренное ускорение или замедление охлаждения (что может быть полезно в различных конструкциях от домов до спутников).

Диоксид ванадия может действовать как сверхбыстрые оптические модуляторы , инфракрасные модуляторы для систем наведения ракет, камер, хранилищ данных и других приложений. Термохромный фазовый переход между прозрачным полупроводящего и отражательной проводящей фазой, происходит при 68 ° C, может произойти во время максимально короткие 100 фемтосекунд.

Фазовые вычисления и память

Фазовым переходом изолятор-металл в VO 2 можно управлять в наномасштабе с помощью смещенного проводящего наконечника атомно-силового микроскопа, что позволяет использовать его в вычислениях и хранении информации.

Смотрите также

Рекомендации

Цитированные источники