二氧化釩的案例
小眾納米材料——二氧化釩的應用
二氧化釩的性質：
二氧化釩（VK-V01）分子式為VO2，分子量為82.94。為深藍色晶體粉末，單斜晶系結構。不溶于水，易溶于酸和堿中。溶于酸時不能生成四價離子，而生成正二價的釩氧離子。在干的氫氣流中加熱至赤熱時被還原成三氧化二釩，也可被空氣或硝酸氧化生成五氧化二釩，溶于堿中生成亞釩酸鹽。可由碳、一氧化碳或草酸還原五氧化二釩制得。用作玻璃、陶瓷著色劑。
二氧化釩（VK-V01）是一種具有相變性質的金屬氧化物，其相變溫度為68℃，相變前后結構的變化導致對紅外光由透射向反射的可逆轉變，人們根據這一特性將其應用于制備智能控溫薄膜領域。由于其優異的導電特性，也同時應用于電子器件。
氧化釩材料在相對低的溫度下作為絕緣體時，呈現出多相競爭的現象。然而，自20世紀60年代人們開始研究二氧化釩以來，這奇異的相行為一直不為人們所掌握。美國科學家2010年11月23日表示，通過對二氧化釩相變(從金屬到絕緣體)進行系統的研究，他們揭開了困擾學術界數十年的謎團。他們發現二氧化釩發生的多相競爭現象純粹是由晶格對稱所引起的，并認為在冷卻時二氧化釩（VK-V01）晶格能夠以不同的方式發生“折疊”，因此人們所觀察到的現象是二氧化釩不同的折疊形態。
展開 一期一會 | 表面等離子體光子學詳解及其應用
例如，2014年，研究人員制作了一種由二氧化釩等離子體材料制成的200 nm太赫茲光開關。二氧化釩顯示出在不透明金屬相和透明半導體相之間轉換的能力。
二氧化釩納米粒子沉積在玻璃基板上，并與充當等離子體光電陰極的金納米粒子疊加。隨后，研究人員施加了短激光脈沖，使自由電子從金納米粒子跳到二氧化釩超材料上，從而產生短暫的相變。
二氧化釩開關與現有的硅基芯片兼容，并在光譜的近紅外和可見區域工作。近紅外光對于電信和光通信至關重要，而可見光對于傳感器和顯微鏡至關重要。
表面等離子體光子學超材料還可以幫助磁盤上的熱輔助磁存儲器的存儲——通過在寫入時加熱磁盤上的小點來增加存儲器存儲。
顯微鏡
亞波長表面等離子體光子學的一個顯著應用是超出光衍射極限的顯微鏡應用。該衍射極限使傳統顯微鏡（顯示正折射率）無法分辨小于一半的光波長的物體。
由負折射率表面等離子體光子學材料制成的透鏡可以解決衍射極限問題，產生能夠捕獲傳統顯微鏡視野之外的空間信息的超透鏡，其應用于光開關、光電探測器、調制器和定向光發射器。
表面等離子體光子學的未來
在過去幾十年中，半導體行業在將電子器件縮小到納米級方面取得了巨大進步。然而，在追求10GHz以上的電路時，信號延遲問題會帶來重大挑戰。
雖然光子器件提供了巨大的帶寬，但衍射限制了光子組件的尺寸。而表面等離子體光子學納米技術，在微觀尺度（百萬分之一米）的光子學領域和納米尺度（十億分之一米）的電子領域之間架起了橋梁。
隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學的未來前景一片光明。一旦企業能夠生產出穩健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學納米技術將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協同作用的關鍵。
展開 Ansys | 什么是表面等離子體光子學及其應用
例如，2014年，研究人員制作了一種由二氧化釩等離子體材料制成的200 nm太赫茲光開關。二氧化釩顯示出在不透明金屬相和透明半導體相之間轉換的能力。
二氧化釩納米粒子沉積在玻璃基板上，并與充當等離子體光電陰極的金納米粒子疊加。隨后，研究人員施加了短激光脈沖，使自由電子從金納米粒子跳到二氧化釩超材料上，從而產生短暫的相變。
二氧化釩開關與現有的硅基芯片兼容，并在光譜的近紅外和可見區域工作。近紅外光對于電信和光通信至關重要，而可見光對于傳感器和顯微鏡至關重要。
表面等離子體光子學超材料還可以幫助磁盤上的熱輔助磁存儲器的存儲——通過在寫入時加熱磁盤上的小點來增加存儲器存儲。
顯微鏡
亞波長表面等離子體光子學的一個顯著應用是超出光衍射極限的顯微鏡應用。該衍射極限使傳統顯微鏡（顯示正折射率）無法分辨小于一半的光波長的物體。
由負折射率表面等離子體光子學材料制成的透鏡可以解決衍射極限問題，產生能夠捕獲傳統顯微鏡視野之外的空間信息的超透鏡，其應用于光開關、光電探測器、調制器和定向光發射器。
表面等離子體光子學的未來
在過去幾十年中，半導體行業在將電子器件縮小到納米級方面取得了巨大進步。然而，在追求10GHz以上的電路時，信號延遲問題會帶來重大挑戰。
雖然光子器件提供了巨大的帶寬，但衍射限制了光子組件的尺寸。而表面等離子體光子學納米技術，在微觀尺度（百萬分之一米）的光子學領域和納米尺度（十億分之一米）的電子領域之間架起了橋梁。
隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學的未來前景一片光明。一旦企業能夠生產出穩健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學納米技術將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協同作用的關鍵。
展開 高性能熱致變色、減反增透和自清潔多功能涂層
二氧化釩（VO2）是一種具有熱致相變特性的過渡金屬氧化物，在68℃附近可發生由金屬態到半導體態的可逆相變，同時伴隨著光學、電學等性質的突變，因而在智能窗、激光防護膜、信息存儲、溫度傳感器以及光轉換器件等諸多領域存在應用價值。近年來，節能技術受到越來越多的關注，因而VO2薄膜作為一種無需消耗其它能量，僅根據溫度變化就可控制太陽光透過率的智能窗鍍膜材料，成為領域內的研究熱點。從實際應用角度講，智能窗用VO2薄膜還存在一系列問題，主要有薄膜可見光透過率較低、太陽能調節率不理想、本征的棕黃色在實際使用過程中視覺效果較差等。
針對VO2熱致變色薄膜存在的問題，中國科學院理化技術研究所微納材料與技術研究中心設計并制備了一種可高效精準控制合成的SiO2/TiO2/VO2三層空心納米球（TLHNs）和基于TLHNs的多功能涂層。其中內層氧化硅具有良好的減反性能，中層的氧化鈦具有光催化自清潔的性能，最外層的氧化釩具有良好的熱致變色效果。TLHNs涂層的低溫積分透光率為74%，太陽能調控效率為12%，在同類型多功能薄膜中為性能最優。此外，研究人員還提出了一種巧妙的計算模型，可以快速獲得復雜納米粒子組裝涂層的有效折射率(neff)。計算和實驗結果表明，相較致密平整的VO2涂層，該工作提出的三層空心結構能夠顯著降低涂層在可見光區域的折射率（600 nm處由2.25降低至1.33）和反射率（平均反射率由22.3％降低至5.3％）。
(a) VO2和SiO2/TiO2/VO2 TLNHs涂層的高低溫透光率曲線，(b)/(c) TLNHs涂層的節能效果測試圖
這項工作為制備同時具有減反增透、自清潔和熱致變色三功能的復合涂層提供了新思路。
展開 
033 – [自編軟件] VO2的光學常數計算軟件
包含的文件截圖：
詳細描述：
二氧化釩（VO2）是一種相變材料，其物理和化學性質可以通過改變溫度來大幅度地調節，從而可以用來設計溫控器件。
VO2 的相變溫度在 T0 ≈ 68 ℃ 附近，
當溫度低于 T0 時為絕緣態，展現出電介質的特性
當溫度高于 T0 時為金屬態，展現出金屬的特性，可以導電。
VO2 的相變特性主要在其電導率、介電常數、折射率等參數上體現出來，也就是說 VO2 的這些光學參數不僅是頻率(ω)的函數，也是溫度(T)的函數。更麻煩的是，這些物理量還都是復數，即：
σ = σ’(ω, T) + iσ”(ω, T)
ε = ε’(ω, T) + iε”(ω, T)
n = n’(ω, T) + in”(ω, T)
目前人們主要通過兩種方式來對VO2的光學性質進行建模：
第一種是認為VO2在任意溫度下的介電常數都滿足Drude模型，然后將等離子體頻率和碰撞頻率擬合成溫度的函數
第二種是認為VO2的金屬態滿足Drude模型，絕緣態的介電常數是一個不隨溫度變化的常數，而相變溫度附近VO2是金屬態和絕緣態的混合物。利用混合物等效介質理論求出相變溫度附近的介電常數
以上兩種方式計算起來都比較繁瑣，涉及的計算量很大。
為此，我參考四篇SCI論文，自主開發了VO2光學常數計算軟件，是一個獨立的exe應用程序，可在windows平臺運行。
展開 032 – Matlab VO2的光學常數計算代碼（Matlab文件+參考文獻，252元） ￥252
包含的文件截圖：
詳細描述：
二氧化釩（VO2）是一種相變材料，其物理和化學性質可以通過改變溫度來大幅度地調節，從而可以用來設計溫控器件。
VO2 的相變溫度在 T0 ≈ 68 ℃ 附近，
當溫度低于 T0 時為絕緣態，展現出電介質的特性
當溫度高于 T0 時為金屬態，展現出金屬的特性，可以導電。
VO2 的相變特性主要在其電導率、介電常數、折射率等參數上體現出來，也就是說 VO2 的這些光學參數不僅是頻率(ω)的函數，也是溫度(T)的函數。更麻煩的是，這些物理量還都是復數，即：
σ = σ’(ω, T) + iσ”(ω, T)
ε = ε’(ω, T) + iε”(ω, T)
n = n’(ω, T) + in”(ω, T)
目前人們主要通過兩種方式來對VO2的光學性質進行建模：
第一種是認為VO2在任意溫度下的介電常數都滿足Drude模型，然后將等離子體頻率和碰撞頻率擬合成溫度的函數
第二種是認為VO2的金屬態滿足Drude模型，絕緣態的介電常數是一個不隨溫度變化的常數，而相變溫度附近VO2是金屬態和絕緣態的混合物。利用混合物等效介質理論求出相變溫度附近的介電常數
以上兩種方式計算起來都比較繁瑣，涉及的計算量很大。
為此，我參考四篇SCI論文，基于Matlab編寫了VO2光學常數計算代碼。
展開 Joule: 無需人工干預的自響應VO2智能窗——走向冬暖夏涼的新選擇
建筑玻璃的實際應用
二氧化釩（VO2）被認為是最前景的熱致變色材料。它可以保持可見光不變，即外觀不變，僅僅隨溫度變化調節近紅外區域太陽光透射。VO2具有可逆金屬-半導體相變特性；相變發生前后主要在近紅外波段發生重要光學特性改變，即從低于相變溫度（半導體態）的紅外透明變為高于相變溫度（金屬態）的紅外反射（圖2）。
圖2. VO2的電子密度和原子結構，圖a和圖b為半導體態，圖c和d為金屬態。
面向應用，VO2智能窗仍需突破相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率和輻射系數等的相互耦合影響的問題。這些智能窗應用方面的重要參數總是此消彼長（圖3），如何獲得整體均衡性能是重要的發展方向。
圖3.VO2的熱致變色性能(相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率)總結
這篇綜述系統總結了VO2熱致變色智能玻璃的研究進展。包括原子尺度的缺陷，摻雜，晶格力，和微納米尺度內結構（圖4）的對于其相變和光學性能的影響，討論了基于該材料的多功能智能玻璃的進展。
圖4. 微納米尺度結構設計提升VO2的熱致變色性能
盡管基于VO2的智能節能窗材料在近十年取得了顯著進步，但是未來仍然面臨許多挑戰。
展開 天空輻射制冷技術發展現狀與展望
其中二氧化釩(VO2，相變溫度約為 68℃) 和硫系化合物(GST，相變溫度約為 150℃) 熱致變色材料在相變前為紅外透射率高的半導體態，相變后為紅外吸收率高的金屬態。Tang Kechao 等將 WxV1-xO2 嵌入到銀膜上層的 BaF2 介質層中，其結構如圖 3(a) 所示，通過吸收共振的設計可將材料室溫熱發射率從半導體態的 0.20 切換至金屬態的 0.90。Xu Ziquan 等通過控制激光脈沖的頻率加熱以替代傳統加熱方式，使 GST 膜發生非易失性相變和可重構性凸起，材料發射率峰值可在 0.1 和 0.7 間切換，該方法為熱輻射控制開辟了新的途徑。
圖 3 動態輻射制冷材料
基于氧化鎢(WO3)、聚苯胺(PANI)和石墨烯等具有可見光-紅外電致變色性能材料的器件通常為多層結構，由夾在兩個電極間通過電解液分隔的光學和電化學活性層組成，依靠改變外加電位差產生離子或電子的插入/提取，從而改變材料在中紅外和“大氣窗口”波段的光學性質。WO3 在質子/鋰離子插入下從透明/絕緣體轉變為藍色/金屬狀態。M.S.Ergoktas等采用如圖 3(b)所示的鋰離子插層石墨烯來實現石墨烯光學可調性和非易失性。此外，Xu Gaoping等基于 H2SO4 摻雜 PANI 薄膜，構建了一種光學可變和熱管理同時進行的雙功能電致變色器件，在 8～14 μm 波長范圍內紅外發射率變化約為 0.4。
應變響應是指通過加載/卸載應力動態改變材料的形貌或結構，從而連續調諧材料的光學性能。A.Krishna 等通過施加應力來動態改變石墨烯表面皺褶的間距大小，由于該褶皺可造成光的多次內部反射和干涉，使材料表面透射率降低并提高了發射率。
展開 