Page 60 - 《精细化工》2020年第8期

·1558· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 37 卷

然而，上述研究中 VO 2 薄膜对红外光的调控能 使其在自适应红外伪装技术中具有广阔的应用前
力还不够强（一般<15%），使得智能窗的调控效果 景。SHI 等 [52] 以氢掺杂 VO 2 纳米线制备了光学可读
达不到实际要求；其次是可见光波段的透过率不够 温度计，发现这种温度计具有超高的相对灵敏度
高（一般<60%），满足不了正常的室内采光需求， （~17.4%/K）和温度分辨率（~0.026 K），能够检测
而且 VO 2 薄膜的可见光透过率与红外光的调控能力 狭小空间的热环境，甚至是纳米结构的温度。激光
互相制约，此消彼长，难以兼顾。为解决上述问题， 照射到 VO 2 薄膜表面时，被照射部位瞬时吸热升温，
CHEN 等 [48] 在基于氢原子掺杂驱动 VO 2 多态连续相 光学性能由高透射转变为高反射，从而实现对人眼
变研究的基础上 [49-50] ，在 VO 2 薄膜中实现了基于固 或光学窗口的激光防护 [53] 。
态电解质的电场诱导三态相变过程，如图 6 所示。
发现在室温下施加很小的正反向偏压就能够可逆调
控 VO 2 中的电子掺杂浓度（氢掺杂浓度），从而实
现电子掺杂金属相（低浓度氢掺杂）和电子掺杂绝
缘相（高浓度氢掺杂）之间的相转变。这种电子掺
杂 VO 2 薄膜对红外光的调控能力可以达到 26.5%，
同时薄膜具有高达 70%以上的可见光透过率。这一
结果超越了以往 VO 2 热致变色智能窗的实验结果
（见图 7），甚至突破了传统 VO 2 温控智能窗红外调

控能力的理论极限（23%），大大提高了基于 VO 2
的智能窗的应用可能性。 图 7 先前报道的数据和氢掺杂 VO 2 薄膜的可见光透过
率与太阳光能调控能力的关系 [48]
Fig. 7 A plot of luminous transmittance versus solar
modulation ability of previously reported data and
hydrogen doped VO 2 crystal [48]

与热致光响应性能相似，VO 2 在低温条件下电
阻较大，原因在于当温度达到相变温度时，VO 2 完
成了从单斜相向金红石相的结构转变，其电阻下降，
表现出优异的热致电响应性能。因此，VO 2 材料在
制 作电开 关和 记忆材 料中 也具有 重要 应用 。
MACALUSO 等 [54] 研究了 ZnO/VO 2 晶闸管的电阻开

关行为，发现 100 mm×100 mm 器件具有最佳的电
图 6 氢掺杂 VO 2 薄膜的实验方案：带有源电极、漏电极 阻开/关比。FAN 等 [55] 在高导电 n-GaN（0001）晶体
和栅电极的 VO 2 器件的门控示意图（a），门控下氢
衬底上制备了高质量的 VO 2 外延薄膜，并以其制作
离子的运动（b），用正（蓝色）或负（红色）电压
光电存储器件，发现外加偏压可以动态控制 VO 2 薄
调控氢离子浓度实现 VO 2 的可逆绝缘-金属-绝缘三
态相变（c） [48] 膜的红外透过率和电阻，VO 2 在红外波段的滞回开
Fig. 6 Experimental schemes of hydrogen doped VO 2 关效应使该光电存储器件可在“电写-光读”模式下
crystal: the gating diagram of the VO 2 device with 进行工作。
source, drain and gate electrodes (a), hydrogen ion
movement under gating control (b), and the
reversible insulator-metal-insulator tristate phase 4 总结与展望
transitions of VO 2 by tuning hydrogenating level
with positive (blue) or negative (red) gating 综上所述，VO 2 的制备方法很多，但各自均存
voltages (c) [48] 在着一些缺点。调控 VO 2 相变温度及相变性能的途

除可作为智能窗外，VO 2 的热致光响应性能还 径也有很多，其中以掺杂法应用最为普遍。由于 VO 2
使其在红外隐身、温度传感、激光防护等领域得以 相变所带来的热致光响应性能和热致电响应性能，
应用。如例，JI 等 [51] 采用苹果酸辅助水热法合成了 使 VO 2 在智能窗、红外隐身、电开关等领域的应用
单斜相 VO 2 纳米粒子。结果表明，VO 2 具有优良的 极具潜力。但是，现有研究中也还存在着以下几个
电学性能，电阻变化高达 2 个数量级，且其能有效 方面的问题亟待解决：（1）VO 2 相变温度的调控存
控制红外辐射强度，降低辐射温度。此外，VO 2 纳 在盲目性和不确定性，如何更加精准地调控 VO 2 的
米粉体具有良好的热稳定性、抗氧化性和耐湿性， 相变温度以满足实际需求是该领域的一个难点，这