Oxid de vanadiu (IV)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Sari la navigare Sari la căutare
Oxid de vanadiu (IV)
VO2 crystal.jpg
Identificare
Număr CAS12036-21-4
PubChem CID82849
Formulă chimicăO₂V[1]  Modificați la Wikidata
Masă molară82,934 u.a.m.[1]  Modificați la Wikidata
Sunt folosite unitățile SI și condițiile de temperatură și presiune normale dacă nu s-a specificat altfel.

Oxidul de vanadiu (IV) sau dioxidul de vanadiu este un compus anorganic cu formula chimică VO2 . Este un material solid de culoare albastru închis. Dioxidul de vanadiu (IV) este amfoteric, dizolvându-se în acizi neoxidanți pentru a da ionul albastru de vanadil, [VO]2+ și în alcali pentru a da ionului maro [V4O9]2, sau la pH ridicat [VO4]4− . VO 2 are o tranziție de fază apropiată de temperatura camerei (~ 66 °C). Rezistența electrică, opacitatea, etc., pot schimba mai multe funcții. Datorită acestor proprietăți, a fost utilizat în acoperirea de suprafață, [2] senzori, [3] și imagistică. [4] Aplicațiile potențiale includ utilizarea în dispozitivele de memorie, [5] [6] întrerupătoare de schimbare a fazelor, [7] sisteme de comunicare aerospațială și calcul neuromorfic . [8]

Proprietăți[modificare | modificare sursă]

Structură[modificare | modificare sursă]

Structura VO
2
. Atomii de vanadiu sunt purpurii, iar atomii de oxigen sunt roz. Dimerele V–V sunt evidențiate de liniile violete din (a). Distanțele dintre atomii de vanadiu adiacenți sunt egale în (b).

La temperaturi sub Tc = 340 K (67 °C), VO
2
are o structură monoclinică (grupa spațială P21/c). Peste TC, structura este tetragonală, cum ar fi rutil TiO
2
. În faza monoclinică, ionii V4+ formează perechi de-a lungul axei c, ceea ce duce la alternanța distanțelor VV scurte și lungi de 2,65 Å și 3,12 Å. În comparație, în faza rutilă ionii V4+ sunt separați cu o distanță fixă de 2,96 Å. Ca urmare, numărul de ioni V4+ din celula unității cristaline se dublează de la rutil la faza monoclinică. [9]

Morfologia de echilibru a VO
2
particule sunt aciculare, limitate lateral de (110) suprafețe, care sunt cele mai stabile planuri de terminație. [10] Suprafața tinde să fie oxidată în raport cu compoziția stoechiometrică, cu oxigenul adsorbit pe suprafața (110) formând specii de vanadil. Prezența ionilor V5+ la suprafața filmelor de VO
2
au fost confirmate prin spectroscopie fotoelectronă cu raze X. [11]

Electronic[modificare | modificare sursă]

La temperatura de tranziție rutilă la monoclinică (67   ° C), VO
2
prezintă, de asemenea, o tranziție de metal la semiconductor în structura sa electronică: faza rutilă este metalică, în timp ce faza monoclinică este semiconductoare. [12] Diferența de bandă optică a VO 2 în faza monoclinică la temperatură joasă este de aproximativ 0.7 eV. [13]

Termic[modificare | modificare sursă]

VO2 metalic contrazice legea Wiedemann-Franz care susține că raportul dintre contribuția electronică a conductivității termice (κ) la conductivitatea electrică (σ) a unui metal este proporțională cu temperatura . Conductivitatea termică care poate fi atribuită mișcării electronilor a fost de 10% din cantitatea prevăzută de legea Wiedemann-Franz. Motivul pentru aceasta pare a fi modul fluid prin care electronii se deplasează prin material, reducând mișcarea tipică a electronilor. [14] Conductivitate termică ~ 0.2 W/m⋅K, conductivitate electrică ~ 8.0×10^5 S/m. [15]

Printre aplicațiile potențiale se numără transformarea căldurii din timpul folosirii motoarelor și aparatelor electrice sau ferestre care păstrează clădirile temperatura din interior. Conductivitatea termică a variat atunci când VO2 a fost amestecat cu alte materiale. La o temperatură scăzută poate acționa ca un izolator, conducând în același timp căldură la o temperatură mai ridicată. [14]

Sinteză și structură[modificare | modificare sursă]

Nanostarii ale oxidului de vanadiu (IV)

După metoda descrisă de Berzelius, VO
2
se prepară prin comproporționarea oxidului de vanadiu (III) și oxidul de vanadiu (V) : [16]

V
2
O
5
+ V
2
O
3
→ 4 VO
2

La temperatura camerei, VO2 are o structură rutilă distorsionată cu distanțe mai scurte între perechile de atomi de V care indică legătura metal-metal. Peste 68 °C structura se transformă într-o structură rutilă nedistorsă și legăturile metal-metal sunt rupte provocând o creștere a conductivității electrice și a susceptibilității magnetice, deoarece electronii de legătură sunt „eliberați”. Originea acestui izolator la tranziția metalului rămâne controversată și este de interes atât pentru fizica materiei condensate [17] și pentru aplicații practice, cum ar fi întrerupătoare electrice, filtre electrice reglabile, limitatori de putere, nano-oscilatoare, [18] memistoare, efect de câmp tranzistoare și metamateriale . [19]

Reflexie infrarosie[modificare | modificare sursă]

Spectre de transmisie ale unui film de VO
2
/SiO
2
. Încălzirea ușoară are ca rezultat absorbția semnificativă a luminii infraroșii

VO
2
exprimă proprietăți reflectorizante dependente de temperatură. Când este încălzit de la temperatura camerei până la 80 °C, radiația termică a materialului crește normal până la 74 °C, înainte să apară brusc în jurul valorii de 20 °C. La temperatura camerei VO
2
este aproape transparent la lumina infraroșie. Pe măsură ce temperatura sa crește, se schimbă treptat în reflectorizant. La temperaturi intermediare, se comportă ca un dielectric puternic absorbant. [20] [21]

O peliculă subțire de oxid de vanadiu pe un substrat extrem de reflectant (pentru lungimi de undă specifice infraroșului), cum ar fi safir, este absorbantă sau reflectantă, dependentă de temperatură. Emisivitatea sa variază considerabil cu temperatura. Atunci când oxizii de vanadiu tranziția cu temperatura crescută, structura suferă o scădere bruscă a emisivității - aspect mai rece la camerele cu infraroșu decât este în realitate. [22] [20]

Varierea materialelor de substrat, de exemplu, la oxidul de staniu indiu și modificarea acoperirii cu oxid de vanadiu folosind doparea, încordarea și alte procese, modifică lungimile de undă și intervalele de temperatură la care sunt observate efectele termice. [20] [22]

Structurile nano-scale care apar în mod natural în regiunea de tranziție a materialelor pot suprima radiațiile termice pe măsură ce temperatura crește. Doparea acoperirii cu tungsten scade intervalul termic al efectului până la temperatura camerei. [20]

Utilizări[modificare | modificare sursă]

Managementul radiațiilor infraroșii[modificare | modificare sursă]

Filmele cu dioxid de vanadiu dopate sub tungsten și dopate pot acționa ca acoperiri „selective spectral” pentru a bloca transmisia în infraroșu și pentru a reduce pierderea de căldură interioară a clădirii prin ferestre. [22] [23] [24] Variația cantității de wolfram permite reglarea temperaturii de tranziție a fazei la o viteză de 20 °C la 1 procent atomic de tungsten. Acoperirea are o ușoară culoare galben-verde. [25]

Alte aplicații potențiale ale proprietăților sale termice includ camuflajul pasiv, balizele termice, comunicarea sau pentru a accelera sau încetini în mod deliberat răcirea (ceea ce ar putea fi util într-o varietate de structuri, de la case la sateliți [20] ).

Dioxidul de vanadiu poate acționa ca modulatoare optice extrem de rapide, modulatoare cu infraroșu pentru sisteme de ghidare a rachetelor, camere foto, stocare de date și alte aplicații. Tranziția de fază termochromă între faza conductivă transparentă semiconductivă și reflectoare, care se produce la 68 °C, se poate întâmpla în perioade cât mai scurte de 100 femtosecunde. [26]

Calcul de schimbare de fază și memorie[modificare | modificare sursă]

Tranziția de fază izolator-metal în VO2 poate fi manipulată la nano-scală folosind un vârf microscopic de forță atomică conducătoare părtinitoare, [27] sugerând aplicații în calcul și stocarea informațiilor. [6]

Vezi si[modificare | modificare sursă]

  • Baterie redox din Vanadiu

Referințe[modificare | modificare sursă]

  1. ^ a b c „Oxid de Vanadium (IV)”, Vanadium dioxide (în engleză), PubChem, accesat în  
  2. ^ Li, Yamei; Ji, Shidong; Gao, Yanfeng; Luo, Hongjie; Kanehira, Minoru (). „Core-shell VO2@TiO2 nanorods that combine thermochromic and photocatalytic properties for application as energy-saving smart coatings”. Scientific Reports. 3: 1370. Bibcode:2013NatSR...3E1370L. doi:10.1038/srep01370. PMC 3613806Accesibil gratuit. PMID 23546301. 
  3. ^ Hu, Bin; Ding, Yong; Chen, Wen; Kulkarni, Dhaval; Shen, Yue; Tsukruk, Vladimir V.; Wang, Zhong Lin (). „External-Strain Induced Insulating Phase Transition in VO2 Nanobeam and Its Application as Flexible Strain Sensor”. Advanced Materials. 22 (45): 5134–5139. doi:10.1002/adma.201002868. PMID 20842663. 
  4. ^ Gurvitch, M.; Luryi, S.; Polyakov, A.; Shabalov, A. (). „Nonhysteretic behavior inside the hysteresis loop of VO2 and its possible application in infrared imaging”. Journal of Applied Physics. 106 (10): 104504–104504–15. Bibcode:2009JAP...106j4504G. doi:10.1063/1.3243286. 
  5. ^ Xie, Rongguo; Bui, Cong Tinh; Varghese, Binni; Zhang, Qingxin; Sow, Chorng Haur; Li, Baowen; Thong, John T. L. (). „An Electrically Tuned Solid-State Thermal Memory Based on Metal–Insulator Transition of Single-Crystalline VO2 Nanobeams”. Advanced Functional Materials. 21 (9): 1602–1607. doi:10.1002/adfm.201002436. 
  6. ^ a b Zhou, You; Ramanathan, S. (). „Mott Memory and Neuromorphic Devices”. Proceedings of the IEEE. 103 (8): 1289–1310. doi:10.1109/JPROC.2015.2431914. 
  7. ^ „Phase-Change Materials and Switches for Enabling Beyond-CMOS Energy Efficient Applications”. Phase-Change Switch Project. Accesat în . 
  8. ^ Barraud, Emmanuel (). „A revolutionary material for aerospace and neuromorphic computing”. EPFL News. Accesat în . 
  9. ^ Morin, F. J. (). „Oxides Which Show a Metal-to-Insulator Transition at the Neel Temperature”. Physical Review Letters. 3 (1): 34–36. Bibcode:1959PhRvL...3...34M. doi:10.1103/PhysRevLett.3.34. 
  10. ^ Mellan, Thomas A.; Grau-Crespo, Ricardo (). „Density functional theory study of rutile VO2 surfaces”. The Journal of Chemical Physics. 137 (15): 154706. Bibcode:2012JChPh.137o4706M. doi:10.1063/1.4758319. PMID 23083183. 
  11. ^ Manning, Troy D.; Parkin, Ivan P.; Pemble, Martyn E.; Sheel, David; Vernardou, Dimitra (). „Intelligent Window Coatings: Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition of Tungsten-Doped Vanadium Dioxide”. Chemistry of Materials. 16 (4): 744–749. doi:10.1021/cm034905y. 
  12. ^ Goodenough, John B. (). „The two components of the crystallographic transition in VO2”. Journal of Solid State Chemistry. 3 (4): 490–500. Bibcode:1971JSSCh...3..490G. doi:10.1016/0022-4596(71)90091-0. 
  13. ^ Shin, S.; Suga, S.; Taniguchi, M.; Fujisawa, M.; Kanzaki, H.; Fujimori, A.; Daimon, H.; Ueda, Y.; Kosuge, K. (). „Vacuum-ultraviolet reflectance and photoemission study of the metal-insulator phase transitions in VO2, V6O13, and V2O3”. Physical Review B. 41 (8): 4993–5009. Bibcode:1990PhRvB..41.4993S. doi:10.1103/physrevb.41.4993. PMID 9994356. 
  14. ^ a b MacDonald, Fiona (). „Physicists Have Found a Metal That Conducts Electricity but Not Heat”. ScienceAlert. 
  15. ^ Lee, Sangwook; Hippalgaonkar, Kedar; Yang, Fan; Hong, Jiawang; Ko, Changhyun; Suh, Joonki; Liu, Kai; Wang, Kevin; Urban, Jeffrey J. (). „Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide” (PDF). Science. 355 (6323): 371–374. Bibcode:2017Sci...355..371L. doi:10.1126/science.aag0410. PMID 28126811. 
  16. ^ Brauer, G. ed. (1963) Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2nd Ed. Academic Press. NY. Vol. 1. p. 1267.
  17. ^ New studies explain insulator-to-metal transition of vanadium dioxide, PhysOrg. April 11, 2015.
  18. ^ Crunteanu, Aurelian; Givernaud, Julien; Leroy, Jonathan; Mardivirin, David; Champeaux, Corinne; Orlianges, Jean-Christophe; Catherinot, Alain; Blondy, Pierre (). „Voltage- and current-activated metal–insulator transition in VO2-based electrical switches: A lifetime operation analysis”. Science and Technology of Advanced Materials. 11 (6): 065002. Bibcode:2010STAdM..11f5002C. doi:10.1088/1468-6996/11/6/065002. PMC 5090451Accesibil gratuit. PMID 27877369. 
  19. ^ Pattanayak, Milinda; Hoque, Md Nadim F.; Fan, Zhaoyang; Bernussi, Ayrton A. (). „Electrical oscillation generation with current-induced resistivity switching in VO2 micro-channel devices”. Science and Technology of Advanced Materials. 19 (1): 693–701. Bibcode:2018STAdM..19..693P. doi:10.1080/14686996.2018.1521249. open access publication - free to read
  20. ^ a b c d e „Natural metamaterial looks cooler when heated”. physicsworld.com. . Accesat în . 
  21. ^ Kats, M. A.; Blanchard, R.; Zhang, S.; Genevet, P.; Ko, C.; Ramanathan, S.; Capasso, F. (). „Vanadium Dioxide as a Natural Disordered Metamaterial: Perfect Thermal Emission and Large Broadband Negative Differential Thermal Emittance”. Physical Review X. 3 (4): 041004. Bibcode:2013PhRvX...3d1004K. doi:10.1103/PhysRevX.3.041004. 
  22. ^ a b c Wang, Chao; Zhao, Li; Liang, Zihui; Dong, Binghai; Wan, Li; Wang, Shimin (). „New intelligent multifunctional SiO2/VO2 composite films with enhanced infrared light regulation performance, solar modulation capability, and superhydrophobicity”. Science and Technology of Advanced Materials. 18 (1): 563–573. Bibcode:2017STAdM..18..563W. doi:10.1080/14686996.2017.1360752. PMC 5613921Accesibil gratuit. PMID 28970866. 
  23. ^ Guzman, G. Vanadium dioxide as infrared active coating. solgel.com
  24. ^ „Intelligent Window Coatings that Allow Light In but Keep Heat Out - News Item”. Azom.com. . Accesat în . 
  25. ^ Espinasse, Phillip (). „Intelligent Window Coating Reflects Heat, Not Light”. oe magazine. Accesat în . 
  26. ^ „Timing nature's fastest optical shutter”. Physorg.com. . 
  27. ^ Jeehoon Kim; Ko, Changhyun; Frenzel, Alex; Ramanathan, Shriram; Hoffman, Jennifer E. (). „Nanoscale imaging and control of resistance switching in VO2 at room temperature” (PDF). Applied Physics Letters. 96 (21): 213106. Bibcode:2010ApPhL..96u3106K. doi:10.1063/1.3435466. 

Surse citate[modificare | modificare sursă]