二氧化钒场致相变薄膜材料——制备、性能调控及应用

二氧化钒薄膜材料是一种在电场诱导下可以产生可逆“绝缘-类金属导体相变”的金属氧化物材料，对于电子信息设备的电磁脉冲防护，特别是对于具有电磁辐射信息收/发功能的电子系统的智能电磁脉冲防护具有重要应用前景。本书介绍电场诱导条件下二氧化钒薄膜材料的相变机理和建模仿真方法、相变性能测试方法，详细阐述基于溶胶-凝胶法和磁控溅射镀膜法的二氧化钒晶体薄膜材料制备技术、基于元素掺杂/多相复合掺杂和多物理场协同效应的场致相变性能调控方法以及材料在可重构极化转换超材料中的应用。
本书可供电磁兼容与电磁防护技术研究人员、凝聚态物理研究人员、金属氧化物薄膜材料开发人员和科研人员参考，也可作为高等院校材料科学与工程及电磁兼容等专业研究生的教材或参考书。

前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 VO2薄膜的晶体结构与性质 4
1.3 VO2薄膜制备技术 6
1.4 VO2相变特性研究进展 8
1.4.1 测试方法 8
1.4.2 响应时间 10
1.4.3 临界场调控方法 11
1.5 VO2相变理论研究进展 12
1.5.1 焦耳热机制 12
1.5.2 电场机制 13
1.6 复合材料导电机理 14
1.6.1 导电通道理论 14
1.6.2 量子隧穿理论 17
1.6.3 场致发射理论 18
1.7 应用技术研究 18
1.7.1 微波调制器件 18
1.7.2 太赫兹器件 19
1.7.3 可重构插槽天线 20
参考文献 20
第2章 VO2薄膜相变理论建模与仿真计算 26
2.1 固体多粒子体系计算模拟方法 26
2.1.1 计算物理基本研究方法选择 26
2.1.2 基于**性原理方法分析固体体系结构 28
2.2 VO2 MIT电场可调性计算研究 32
2.2.1 模型建立与收敛性讨论 32
2.2.2 VO2纯相晶体的不同磁性态计算 37
2.2.3 VO2纯相晶体的LDA+U不同U值计算 41
2.2.4 VO2体系电子结构与体系总能计算 44
2.2.5 电场下VO2体系相稳定性计算研究 49
参考文献 57
第3章 VO2薄膜脉冲相变性能测试方法 58
3.1 引言 58
3.2 薄膜材料场致相变测试概述 59
3.2.1 强电场环境下薄膜材料电学相变性能测试的一般要求 59
3.2.2 现有测试方法 60
3.3 直流测试系统 62
3.3.1 测试电路结构设计 62
3.3.2 测试系统搭建 68
3.3.3 测试系统验证实验 73
3.4 脉冲测试系统 75
3.4.1 串联微带线法的原理分析 75
3.4.2 测试系统等效电路模型理论分析 76
3.4.3 材料性能测试与分析 83
参考文献 84
第4章 溶胶-凝胶法VO2薄膜制备及性能调控 85
4.1 VO2及其掺杂薄膜制备技术研究 85
4.1.1 无机溶胶-凝胶法制备VO2薄膜工艺流程 85
4.1.2 无机溶胶-凝胶法制备本征VO2薄膜 86
4.1.3 无机溶胶-凝胶法制备掺杂VO2薄膜 97
4.2 退火工艺参数对VO2薄膜物相的影响规律研究 99
4.2.1 直接退火工艺 100
4.2.2 预退火对薄膜材料的影响 102
4.3 基于掺杂与多物理场的VO2薄膜相变临界电场强度调控
?效应研究 109
4.3.1 掺杂VO2薄膜相变临界电场强度的调控 109
4.3.2 多物理场对VO2薄膜相变性能的协同调控效应 113
4.4 钒氧化物薄膜多相共存状态对相变临界电场强度影响规律
?的研究 116
4.4.1 多相共存薄膜对VO2相变临界电场强度调控的理论分析 116
4.4.2 多相共存钒氧化物的制备 118
4.4.3 多相共存钒氧化物薄膜的物相和含量分析 119
4.4.4 多相共存钒氧化物薄膜的相变温度测试 121
4.4.5 多相共存钒氧化物薄膜对相变临界电场强度的调控 123
参考文献 125
第5章 磁控溅射法VO2薄膜制备及性能调控 127
5.1 VO2薄膜制备与表征方法 127
5.1.1 实验材料与仪器 127
5.1.2 制备步骤 128
5.1.3 表征手段 132
5.2 磁控溅射工艺参数对薄膜的影响规律研究 134
5.2.1 溅射气压对薄膜形貌的影响 134
5.2.2 溅射电压对晶体微观生长形貌的影响 137
5.2.3 O2/Ar比对钒价态的影响 140
5.2.4 溅射温度对晶粒生长的影响 141
5.3 退火处理对VO2薄膜的影响规律研究 142
5.3.1 氧化工艺对V2O5薄膜的生成和表面形貌的影响规律 142
5.3.2 退火温度对VO2薄膜的影响规律 145
5.3.3 退火时间对VO2薄膜的影响规律 147
5.4 电场激励下VO2相变性能及其调控技术研究 149
5.4.1 多价态共存的钒氧化物相变性能测试 150
5.4.2 VO2相变驱动机制的探讨分析 153
参考文献 155
第6章 水热法VO2复合薄膜制备及性能调控 156
6.1 引言 156
6.2 水热法制备VO2实验方案 157
6.2.1 主要化学试剂与设备 157
6.2.2 制备方法 158
6.2.3 表征与测试方法 158
6.3 纳米VO2微观形貌表征与分析 159
6.3.1 水热温度和时间对纳米VO2 (B)的影响 159
6.3.2 水热温度和时间对纳米VO2 (M)的影响 162
6.3.3 退火处理对纳米VO2 (M)的影响 165
6.4 水热法制备纳米VO2相变特性调控方法研究 169
6.4.1 水热条件对VO2相变特性的调控规律 169
6.4.2 退火条件对VO2相变特性的调控规律 172
6.5 VO2复合薄膜场致相变机理建模分析 176
参考文献 178
第7章 包覆改性VO2纳米颗粒的制备及其相变特性调控方法研究 182
7.1 引言 182
7.2 VO2包覆改性实验方案 183
7.2.1 主要化学试剂与设备 183
7.2.2 VO2@SiO2制备方法 184
7.2.3 表征方法 184
7.3 VO2@SiO2纳米颗粒表征与分析 185
7.3.1 微观结构分析 185
7.3.2 晶型结构分析 187
7.4 包覆改性对VO2纳米颗粒抗氧化性能的影响 189
7.5 包覆改性对VO2复合薄膜相变特性的调控规律研究 191
7.5.1 温致相变性能 191
7.5.2 场致相变性能 192
7.6 VO2@SiO2复合薄膜相变机理建模分析 195
参考文献 196
第8章 VO2复合薄膜场致相变机理的仿真模拟和数学建模研究 198
8.1 引言 198
8.2 VO2复合薄膜场致相变仿真模型 199
8.2.1 VO2复合薄膜实验制备与测试 199
8.2.2 复合薄膜仿真模型 201
8.3 基于有限元法的VO2复合薄膜场致相变机理仿真研究 203
8.3.1 电极间距对相变电压的影响 203
8.3.2 场致相变过程中导电通道形成过程 204
8.3.3 真实传热模型下场致相变机理 205
8.3.4 理想绝热条件下场致相变机理 206
8.4 基于热平衡方程的VO2复合薄膜场致相变机理数学计算研究 207
8.4.1 数学计算模型 207
8.4.2 理想绝热条件下场致相变阈值预测 208
8.4.3 真实传热模式下场致相变阈值预测 209
参考文献 210
第9章 基于VO2的可重构极化转换超材料研究 212
9.1 引言 212
9.2 VO2相变油墨制备与优化 213
9.3 温控可重构极化转换超材料 215
9.3.1 单元结构设计与优化 215
9.3.2 VO2对超材料极化性能的影响 216
9.3.3 超材料工作机理分析 217
9.3.4 VO2对超材料能量损耗的影响 220
9.3.5 实验验证 222
9.4 电控可重构极化转换超材料 224
9.4.1 单元结构设计与优化 224
9.4.2 VO2对超材料工作性能的影响 226
9.4.3 可重构超材料能量损耗分析 227
9.4.4 实验验证 229
参考文献 230