用第一性原理研究Cr摻雜VO2的相變溫度和電子結構

萬金玉,李雪嬌

(1. 泉州醫學高等專科學校，福建 泉州 362000； 2. 中國科學院上海應用物理研究所，上海 201800)

VO2是研究最廣泛的熱致變色應用材料之一[1-3]，單斜相VO2(M1相)的電子帶隙為0.60 eV[4]，表現為半導體特征，M1相VO2在臨界溫度Tc(≈340 K)下表現出完全可逆的半導體-金屬相變(MIT)。近年來，由于智能窗口在建筑上具有大規模應用的趨勢，熱致變色VO2薄膜引發了大量關注。但VO2(M1)的相變溫度Tc(340 K)比室溫(298K)高，在智能窗涂層的實際應用中遭遇到了阻礙。為了滿足實際應用的需求，有很多方法可以降低相變溫度，例如元素摻雜[5]、外部加壓[6]、形成點缺陷[7]等。在這些方法中，元素摻雜是修飾半導體材料電子結構最常用的方法之一，也是改變VO2相變溫度的有效方法，元素摻雜一般是通過控制摻雜比改變帶隙Eg1和Eg2從而改變相變溫度。例如氮在NH3氣氛中通過熱處理合成高純度氮摻雜VO2(M1)薄膜，VO2金屬相到絕緣相的相變溫度從80.0 ℃降低到62.9 ℃[8]。一般情況下，摻雜高價金屬陽離子可以降低相變溫度，摻雜低價金屬陽離子可以提升相變溫度。通過改變鎢的摻雜濃度，鎢摻雜VO2的相變溫度變化范圍為15～68 ℃[9]，摻雜Sr增加了帶隙寬度，使薄膜呈現灰色，而W和Sr共摻雜使光透射率和太陽能透光率滿足應用要求。Zr[10]摻雜VO2后的薄膜可見光透過率增加，其相變溫度也降低到64.3 ℃。對于摻雜引起相變溫度變化的原因，Booth等[11]和Tan等[12]分別研究了鎢摻雜VO2，認為鎢原子摻雜VO2引起的結構畸變是導致相變的主要原因。在我們以前的研究中發現，鹵素(F、Cl、Br、I)原子摻雜的VO2體系，Cl原子摻雜也能有效降低VO2的相變溫度[13]。……