近期，中國科學院合肥物質院固體所納米材料與器件技術研究部在M相二氧化釩 (VO2(M))熱敏材料的制備和紅外調控研究方面取得新進展，成功制備了具有優異可見光透過率和近紅外光調控能力的 VO2(M)薄膜 (Tlum=62.29%,  DTsol=14.91%)。相關成果發表在國際期刊 Materials Horizons 上。
 

　　VO2(M)是一種典型的熱致相變材料，在相變時可發生一階可逆的半導體-金屬相變，同時伴隨光學和電學性能的突變。VO2(M)的相變溫度為68 ℃，相變前材料對紅外光表現出高透過性，而相變后紅外光透過率呈現截止狀態，同時電阻率會發生3~5個數量級的突變。基于其相變時的光電特性，VO2(M)在節能窗戶、光電開關、紅外隱身、可重構濾波器、溫度/應力傳感器等領域有著廣泛的應用前景。
 

　　釩是一種過渡金屬元素，對應的釩氧化物種類和價態十分豐富，VO2也有近十種同質異構體，這為特定相結構VO2(M)材料的高純度制備帶來很大困難，特別是高質量VO2(M)納米顆粒的制備一直是研究者關注的焦點。水熱法具有成本低廉、可大面積制備且不依賴基底等優點，并且在調控釩氧化物化學計量比方面具有明顯的優勢。但目前水熱法一步合成VO2(M)還存在水熱溫度高(>240 ℃)、晶粒尺寸大、紅外調控不佳等缺點。
 

　　為此，研究人員發展了水熱和熱處理相結合的方法，制備了高質量 VO2(M)納米粉體。首先采用相對溫和的水熱條件制備了超細 VOOH納米顆粒 (~ 24.92 nm)，納米顆粒的形成由 Kirkendall擴散過程主導。在此基礎上，對 VOOH納米顆粒進行熱處理，獲得了高純度 VO2(M)納米顆粒 (~ 38.37 nm)，同時研究了不同退火時間下 VO2顆粒相變溫度和光學性能變化。為進一步提高 VO2的環境耐受性，制備了 VO2@SiO2核殼結構，結合理論模擬，探究了殼層厚度對其光學性能的影響。所制備的 VO2@SiO2/PVP薄膜表現出了良好的熱致變色性能，在可見光透過率為 62.29%時，其太陽光調制效率達到 14.91%。
 

　　上述工作得到了國家自然科學基金、合肥物質院院長基金、貝內克-長順汽車內飾材料有限公司等項目的支持。
 

　　圖1. (a) Kirkendall效應制備超細VOOH示意圖；(b) VOOH和(c) VO2(M)的SEM圖像；(d) VO2@SiO2的TEM圖像；(e) VO2@SiO2/PVP薄膜的光學性能數據；(f) VO2基柔性薄膜；(g) 熱致變色性能對比雷達圖。

 

　　圖2. (a-b) FS限域退火的VO2(M)的TEM圖像；(c) 聚合物輔助退火的VO2(M)的SEM圖像；(d) 不同厚度薄膜的高低溫透過率曲線；(e-f) 聚合物輔助退火的VO2(M)薄膜的疏水性能測試；(g-h) VO2@SiO2的TEM圖像和能譜分析；(i) 熱致變色性能對比。