纳米VO2多晶材料的低温相变和随机阻抗网络模型

　　0　引言

　　VO2材料自上世纪50年代发现以来,在红外探测、红外调制、光电开关、光电存储和热变色等方面,得到了广泛的应用[1-3]。上世纪有关VO2材料的研究,主要集中在微米粒度多晶薄膜上,其平均颗粒直径为1~2μm,相变温度为68℃,热滞回线宽度约10℃,相变前后电阻值突变2~3个数量级,TCR为-2%/℃[1-3],在电阻-温度(R-T)曲线,特别是热滞回线的理论研究上进展不大,只是借用铁电体的电滞回线来类比VO2多晶材料的热滞回线[4],但电滞回线是对称分布的,相对比较简单,而热滞回线是非对称分布的[5],形状复杂。此外,两者描述的物理量也不相同,电滞回线是描述铁电材料的剩余极化强度与电场强度的函数关系,而热滞回线是材料的电阻与温度的函数关系。近年来,纳米多晶薄膜材料的研究结果已有报道[6-10]。其相变温度随平均颗粒直径而变化,平均颗粒直径约8 nm时,其相变温度为35℃[6-8],而平均颗粒直径约为12 nm时,相变温度约45℃[9-10],相变前后电阻变化2~3个数量级。最近,在VO2的理论研究上提出了随机阻抗网络模型(RandomResistor Network,RRN),用来模拟热滞回线行为[9-10],使得VO2多晶材料的研究由微米结构进入纳米结构;其R-T曲线的研究,特别是热滞回线的研究由实验探索进入理论研究的新阶段。可以预期,这将有力地推动化合物光电半导体VO2多晶材料的研究进程和应用。

　　微米VO2多晶材料在相变温度68℃下和纳米VO2多晶材料在相变温度45℃下,热滞回线用随机阻抗网络模型模拟的情况已有报道[9-10]。本文介绍了纳米VO2多晶材料在更低相变温度下(35℃),其R-T实验曲线(特别是热滞回线)与随机阻抗网络模型模拟的R-T曲线的对比情况。结果再次显示,两者符合得很好。此外,本文还给出了纳米VO2多晶薄膜材料在半导体区和金属区经由RRN模型引出的电阻公式。

　　1　实验R-T曲线

　　纳米VO2多晶薄膜材料的制备方法简述如下:采用在氧和氩气氛中低温离子溅射钒,生成氧化钒,经退火处理得到纳米VO2多晶薄膜,背散射实验分析表明,材料组成为VO2多晶。其R-T曲线和热滞回线的测量,采用带有温度控制的四探针测量方法。纳米VO2的制备和测量方法,已有详细的报道[6-8]。图1示出了纳米VO2(M)稳态多晶材料的晶粒结构,属单斜晶系块状晶粒。其实验R-T曲线如图2中的黑点和圆圈组成的曲线,黑点为温度上升曲线,圆圈为温度下降曲线,在热滞回线区两者不重合。

　　2　随机阻抗网络模型模拟

　　RRN的含意是[9-10]:VO2多晶材料的R-T曲线等效为一个多维随机阻抗网络,在热滞回线区,VO2多晶材料由半导体相和金属相混合组成,半导体相所占体积百分数用f表示,1-f为金属相所占体积百分数。在热滞回线区某一温度下的随机阻抗为半导体相和金属相随机阻抗之和。我们进一步推论:在低温半导体区和高温金属区分别用单一的半导体或金属相阻抗来描述。其数学表达式如下:半导体区: