Oxid vanadičitý - Vanadium(IV) oxide
![]() | tento článek potřebuje úplnější citace pro ověření.Říjen 2019) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) ( |
![]() | |
Jména | |
---|---|
Název IUPAC Oxid vanadičitý | |
Ostatní jména Oxid vanadičitý Oxid divanaditý | |
Identifikátory | |
3D model (JSmol ) | |
Informační karta ECHA | 100.031.661 ![]() |
PubChem CID | |
Řídicí panel CompTox (EPA) | |
| |
Vlastnosti | |
VO2 | |
Molární hmotnost | 82,94 g / mol |
Vzhled | Modro-černý prášek |
Hustota | 4,571 g / cm3 (monoklinický) 4,663 g / cm3 (čtyřúhelníkový) |
Bod tání | 1967 ° C[1] |
+99.0·10−6 cm3/ mol[2] | |
Struktura | |
Zkreslené rutil (<70 ° C, monoklinický) Rutil (> 70 ° C, čtyřúhelníkový) | |
Nebezpečí | |
Hlavní nebezpečí | toxický |
R-věty (zastaralý) | 36/37/38 |
S-věty (zastaralý) | 26-36/37/39 |
NFPA 704 (ohnivý diamant) | |
Bod vzplanutí | Nehořlavé |
Související sloučeniny | |
jiný anionty | Vanad disulfid Vanad diselenid Vanad ditellurid |
jiný kationty | Oxid niobičitý Oxid tantalitý |
Oxid vanadičitý Oxid vanaditý Oxid vanaditý (V) | |
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
![]() ![]() ![]() | |
Reference Infoboxu | |
Oxid vanadičitý nebo oxid vanadičitý je anorganická sloučenina se vzorcem VO2. Je to tmavě modrá pevná látka. Vanadium (IV) oxid je amfoterní, rozpuštěním v neoxidujících kyselinách za vzniku modré vanadyl ion, [VO]2+ a v alkálii za vzniku hnědé [V4Ó9]2− iontů nebo při vysokém pH [VO4]4−.[3] VO2 má fázový přechod velmi blízký teplotě místnosti (~ 66 ° C). Elektrický odpor, opacita atd. Může změnit několik objednávek. Díky těmto vlastnostem se používá při povrchových úpravách,[4] senzory,[5] a zobrazování.[6] Mezi potenciální aplikace patří použití v paměťových zařízeních,[7][8] přepínače fázové změny,[9] letecké komunikační systémy a neuromorfní výpočty.[10]
Vlastnosti
Struktura

2 struktura. Atomy vanadu jsou fialové a atomy kyslíku růžové. Dimery V – V jsou zvýrazněny fialovými čarami v bodě (a). Vzdálenosti mezi sousedními atomy vanadu jsou stejné v bodě (b).
Při teplotách pod TC = 340 K (67 ° C), VO
2 má monoklinický (vesmírná skupina P21/ c) krystalová struktura. Nad TC, struktura je čtyřúhelníkový, jako rutil TiO
2. V monoklinické fázi je V4+ ionty tvoří páry podél osy c, což vede ke střídání krátkých a dlouhých V-V vzdáleností 2,65 Å a 3,12 Å. Pro srovnání, ve fázi rutilu je V4+ ionty jsou odděleny pevnou vzdáleností 2,96 Å. Výsledkem je, že počet V4+ ionty v krystalografické jednotkové buňce se zdvojnásobují z rutilu do monoklinické fáze.[11]
Rovnovážná morfologie rutilu VO
2 Částice jsou jehlicovité, bočně ohraničené (110) povrchy, které jsou nejstabilnějšími ukončovacími rovinami.[12] Povrch má tendenci být oxidován s ohledem na stechiometrické složení, přičemž kyslík adsorbovaný na (110) povrchu tvoří druhy vanadylu.[12] Přítomnost V5+ ionty na povrchu VO
2 filmů bylo potvrzeno Rentgenová fotoelektronová spektroskopie.[13]
Elektronický
Při přechodu rutilu na monoklinickou teplotu (67 ° C), VO
2 také vystavuje kov polovodič přechod v jeho elektronické struktuře: rutilová fáze je kovová, zatímco monoklinická fáze je polovodivá.[14] The mezera optického pásma VO2 v nízkoteplotní monoklinické fázi je asi 0,7 eV.[15]
Tepelný
Kovové VO2 odporuje Wiedemann – Franzův zákon že platí, že poměr elektronického příspěvku EU tepelná vodivost (κ) do elektrická vodivost (σ) a kov je úměrná teplota. Tepelná vodivost, kterou lze připsat pohybu elektronů, byla 10% z množství předpovídaného Wiedemann-Franzovým zákonem. Důvodem se zdá být fluidní způsob pohybu elektronů materiálem, který snižuje typický náhodný pohyb elektronů.[16] Tepelná vodivost ~ 0,2 W / m⋅K, elektrická vodivost ~ 8,0 × 10 ^ 5 S / m.[17]
Mezi potenciální aplikace patří přeměna odpadního tepla z motorů a zařízení na elektřinu nebo okenní kryty, které udržují budovy v chladu. Tepelná vodivost se měnila, když VO2 byl smíchán s jinými materiály. Při nízké teplotě může působit jako izolátor, zatímco vede teplo při vyšší teplotě.[16]
Syntéza a struktura

Podle metody popsané v Berzelius, VO
2 připravuje úměrnost z oxid vanadičitý a oxid vanaditý (V):[18]
- PROTI
2Ó
5 + PROTI
2Ó
3 → 4 VO
2
Při pokojové teplotě VO2 má zkreslené rutil struktura s kratšími vzdálenostmi mezi páry atomů V indikující vazbu kov-kov. Při teplotě nad 68 ° C se struktura změní na nezkreslenou rutilovou strukturu a vazby kov-kov se rozbijí, což způsobí zvýšení elektrické vodivosti a magnetické susceptibility při „uvolňování“ vazebných elektronů.[3] Původ tohoto přechodu z izolátoru na kov zůstává kontroverzní a je pro něj zajímavý fyzika kondenzovaných látek[19] a praktické aplikace, jako jsou elektrické spínače, nastavitelné elektrické filtry, omezovače výkonu, nanooscilátory,[20] memristory, tranzistory s efektem pole a metamateriály.[21][22][23]
Infračervená odrazivost

2/SiO
2 film. Mírné zahřívání vede k významné absorpci infračerveného světla
VO
2 vyjadřuje teplotně závislé reflexní vlastnosti. Při zahřátí z teploty místnosti na 80 ° C stoupá tepelné záření materiálu normálně až na 74 ° C, než náhle poklesne na přibližně 20 ° C. Pokojová teplota VO
2 je pro infračervené světlo téměř průhledný. Jak jeho teplota stoupá, postupně se mění na reflexní. Při středních teplotách se chová jako vysoce absorpční dielektrikum.[24][25]
Tenký film oxidu vanadu na vysoce odrazivém substrátu (pro specifické infračervené vlnové délky), jako je safír, je buď absorpční nebo odrážející, v závislosti na teplotě. Jeho emisivita se značně mění s teplotou. Když oxid vanadu přechází se zvýšenou teplotou, struktura prochází náhlým poklesem emisivity - vypadá infračervené kamery chladněji, než ve skutečnosti je.[26][24]
Změnou podkladových materiálů, například na oxid india a cínu, a úpravou povlaku oxidu vanadu pomocí dopingu, napínání a dalších procesů, se mění vlnové délky a teplotní rozsahy, při kterých jsou pozorovány tepelné účinky.[24][26]
Struktury v nanoměřítku, které se přirozeně objevují v přechodové oblasti materiálů, mohou potlačovat tepelné záření při zvyšování teploty. Doping povlak wolfram snižuje tepelný rozsah efektu na pokojovou teplotu.[24]
Použití
Řízení infračerveného záření
Nedopované a wolframem dotované filmy s oxidem vanadičitým mohou působit jako „spektrálně selektivní“ povlaky, které blokují infračervený přenos a snižují ztrátu vnitřního tepla budovy okny.[26][27][28] Různé množství wolframu umožňuje regulovat teplotu fázového přechodu rychlostí 20 ° C na 1 atomové procento wolframu.[26] Povlak má slabě žlutozelenou barvu.[29]
Mezi další potenciální aplikace jejích tepelných vlastností patří pasivní maskování, tepelné majáky, komunikace nebo záměrné zrychlení nebo zpomalení chlazení (což by mohlo být užitečné v různých strukturách od domů po satelity)[24]).
Oxid vanadičitý může působit extrémně rychle optické modulátory, infračervený modulátory pro navádění raket systémy, fotoaparáty, úložiště dat a další aplikace. The termochromní fázový přechod mezi transparentní polovodivou a reflexní vodivou fází, vyskytující se při 68 ° C, může nastat v časech pouhých 100 femtosekund.[30]
Výpočet a paměť s fázovou změnou
Fázový přechod izolátor-kov ve VO2 lze manipulovat v nanoměřítku pomocí předpjatého vodivého hrotu mikroskopu s atomovou silou,[31] navrhování aplikací v oblasti výpočetní techniky a ukládání informací.[8]
Viz také
Reference
- ^ Haynes, str. 4,98
- ^ Haynes, str. 4,136
- ^ A b Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1984). Chemie prvků. Oxford: Pergamon Press. str. 1144–45. ISBN 978-0-08-022057-4.
- ^ Li, Yamei; Ji, Shidong; Gao, Yanfeng; Luo, Hongjie; Kanehira, Minoru (04.04.2013). "Core-shell VO2@TiO2 nanorody, které kombinují termochromní a fotokatalytické vlastnosti pro použití jako energeticky úsporné inteligentní povlaky ". Vědecké zprávy. 3: 1370. Bibcode:2013NatSR ... 3E1370L. doi:10.1038 / srep01370. PMC 3613806. PMID 23546301.
- ^ Hu, Bin; Ding, Yong; Chen, Wen; Kulkarni, Dhaval; Shen, Yue; Tsukruk, Vladimir V .; Wang, Zhong Lin (01.12.2010). "Izolační fázový přechod indukovaný externím kmenem ve VO2 Nanobeam a jeho aplikace jako flexibilní senzor napětí ". Pokročilé materiály. 22 (45): 5134–5139. doi:10,1002 / adma.201002868. PMID 20842663. S2CID 205238368.
- ^ Gurvitch, M .; Luryi, S .; Polyakov, A .; Shabalov, A. (2009-11-15). „Nehysteretické chování uvnitř hysterezní smyčky VO2 a jeho možné použití v infračerveném zobrazování ". Journal of Applied Physics. 106 (10): 104504–104504–15. Bibcode:2009JAP ... 106j4504G. doi:10.1063/1.3243286. S2CID 7107273.
- ^ Xie, Rongguo; Bui, Cong Tinh; Varghese, Binni; Zhang, Qingxin; Prasnice, Chorng Haur; Li, Baowen; Thong, John T. L. (10.05.2011). „Elektricky vyladěná polovodičová tepelná paměť založená na přechodu kov-izolátor jednokrystalického VO2 Nanobeams ". Pokročilé funkční materiály. 21 (9): 1602–1607. doi:10.1002 / adfm.201002436.
- ^ A b Zhou, ty; Ramanathan, S. (2015-08-01). „Mottova paměť a neuromorfní zařízení“. Sborník IEEE. 103 (8): 1289–1310. doi:10.1109 / JPROC.2015.2431914. S2CID 11347598.
- ^ „Materiály a přepínače pro fázovou změnu pro umožnění energeticky efektivních aplikací nad rámec CMOS“. Projekt přepínače fázové změny. Citováno 2018-05-05.
- ^ Barraud, Emmanuel (02.02.2018). „Revoluční materiál pro letecký a neuromorfní výpočet“. Zprávy EPFL. Citováno 2018-05-05.
- ^ Morin, F. J. (1959). "Oxidy, které ukazují přechod kov na izolátor při teplotě Neel". Dopisy o fyzické kontrole. 3 (1): 34–36. Bibcode:1959PhRvL ... 3 ... 34M. doi:10.1103 / PhysRevLett.3.34.
- ^ A b Mellan, Thomas A .; Grau-Crespo, Ricardo (2012). "Studium funkční teorie hustoty rutilu VO2 povrchy ". The Journal of Chemical Physics. 137 (15): 154706. arXiv:1209.6177. Bibcode:2012JChPh.137o4706M. doi:10.1063/1.4758319. PMID 23083183. S2CID 29006673.
- ^ Manning, Troy D .; Parkin, Ivan P .; Pemble, Martyn E .; Sheel, David; Vernardou, Dimitra (2004). „Intelligent Window Coatings: Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition of Tungsten-Doped Vanadium Dioxide“. Chemie materiálů. 16 (4): 744–749. doi:10,1021 / cm034905y.
- ^ Goodenough, John B. (01.11.1971). „Dvě složky krystalografického přechodu ve VO2". Journal of Solid State Chemistry. 3 (4): 490–500. Bibcode:1971JSSCh ... 3..490G. doi:10.1016/0022-4596(71)90091-0.
- ^ Shin, S .; Suga, S .; Taniguchi, M .; Fujisawa, M .; Kanzaki, H .; Fujimori, A .; Daimon, H .; Ueda, Y .; Kosuge, K. (1990). „Studie vakuové ultrafialové odrazivosti a fotoemise fázových přechodů kov-izolátor ve VO2, V6Ó13a V.2Ó3". Fyzický přehled B. 41 (8): 4993–5009. Bibcode:1990PhRvB..41.4993S. doi:10.1103 / fyzrevb.41.4993. PMID 9994356.
- ^ A b MacDonald, Fiona (2017-01-28). „Fyzici našli kov, který vede elektřinu, ale ne teplo“. ScienceAlert.
- ^ Lee, Sangwook; Hippalgaonkar, Kedar; Yang, Fan; Hong, Jiawang; Ko, Changhyun; Suh, Joonki; Liu, Kai; Wang, Kevin; Urban, Jeffrey J. (2017-01-27). „Anomálně nízká elektronická tepelná vodivost v kovovém oxidu vanadičném“ (PDF). Věda. 355 (6323): 371–374. Bibcode:2017Sci ... 355..371L. doi:10.1126 / science.aag0410. PMID 28126811. S2CID 206650639.
- ^ Brauer, G. ed. (1963) Příručka preparativní anorganické chemie, 2. vyd. Akademický tisk. NY. Sv. 1. str. 1267.
- ^ Nové studie vysvětlují přechod oxidu vanadičitého na izolátor na kov, PhysOrg. 11. dubna 2015.
- ^ Crunteanu, Aurelian; Givernaud, Julien; Leroy, Jonathan; Mardivirin, David; Champeaux, Corinne; Orlianges, Jean-Christophe; Catherinot, Alain; Blondy, Pierre (2010). „Přechod mezi kovem a izolátorem aktivovaný napětím a proudem ve VO2- elektrické spínače na bázi: Analýza celoživotního provozu ". Věda a technologie pokročilých materiálů. 11 (6): 065002. Bibcode:2010STAdM..11f5002C. doi:10.1088/1468-6996/11/6/065002. PMC 5090451. PMID 27877369.
- ^ Pattanayak, Milinda; Hoque, Md Nadim F .; Fan, Zhaoyang; Bernussi, Ayrton A. (2018). "Generování elektrické oscilace s proudově indukovaným přepínáním rezistivity ve VO2 mikrokanálová zařízení ". Věda a technologie pokročilých materiálů. 19 (1): 693–701. Bibcode:2018STAdM..19..693P. doi:10.1080/14686996.2018.1521249.
- ^ Driscoll, T .; Palit, S .; Qazilbash, M. M .; et al. (2008). "Dynamické ladění infračervené hybridní-metamateriálové rezonance s použitím oxidu vanadičitého". Aplikovaná fyzikální písmena. 93 (2): 024101. doi:10.1063/1.2956675.
- ^ Kats, Michail A .; Blanchard, Romain; Zhang, Shuyan; et al. (21. října 2013). „Oxid vanaditý jako přírodní neuspořádaný metamateriál: dokonalá tepelná emise a velká širokopásmová záporná diferenciální tepelná emise“. Fyzická kontrola X. 3 (4): 041004. doi:10.1103 / PhysRevX.3.041004.
- ^ A b C d E „Přírodní metamateriál vypadá při zahřátí chladněji“. physicsworld.com. 2013-10-25. Citováno 2014-01-01.
- ^ Kats, M. A .; Blanchard, R .; Zhang, S .; Genevet, P .; Ko, C .; Ramanathan, S .; Capasso, F. (2013). „Oxid vanaditý jako přírodní neuspořádaný metamateriál: dokonalá tepelná emise a velká širokopásmová záporná diferenciální tepelná emise“. Fyzická kontrola X. 3 (4): 041004. arXiv:1305.0033. Bibcode:2013PhRvX ... 3d1004K. doi:10.1103 / PhysRevX.3.041004. S2CID 53496680.
- ^ A b C d Wang, Chao; Zhao, Li; Liang, Zihui; Dong, Binghai; Wan, Li; Wang, Shimin (2017). „Nové inteligentní multifunkční SiO2/ VO2 kompozitní filmy se zvýšeným výkonem regulace infračerveného světla, schopností solární modulace a superhydrofobicitou ". Věda a technologie pokročilých materiálů. 18 (1): 563–573. Bibcode:2017STAdM..18..563W. doi:10.1080/14686996.2017.1360752. PMC 5613921. PMID 28970866.
- ^ Guzman, G. Oxid vanadičitý jako infračervený aktivní povlak. solgel.com
- ^ "Inteligentní potahy oken, které umožňují světlo dovnitř, ale udržují teplo - novinka". Azom.com. 12. 8. 2004. Citováno 2012-09-12.
- ^ Espinasse, Phillip (03.11.2009). „Inteligentní povrchová úprava oken odráží teplo, ne světlo“. o časopis. Archivovány od originál dne 2005-05-24. Citováno 2012-09-12.
- ^ „Načasování nejrychlejší optické závěrky v přírodě“. Physorg.com. 7. dubna 2005.
- ^ Jeehoon Kim; Ko, Changhyun; Frenzel, Alex; Ramanathan, Shriram; Hoffman, Jennifer E. (2010). „Zobrazování v nanoměřítku a řízení přepínání odporu ve VO2 pokojová teplota" (PDF). Aplikovaná fyzikální písmena. 96 (21): 213106. Bibcode:2010ApPhL..96u3106K. doi:10.1063/1.3435466.
Citované zdroje
- Haynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92. vydání). CRC Press. ISBN 978-1439855119.