[發明專利]二氧化釩基單晶體的制備方法及二氧化釩基單晶體

在審

• 申請號: 201910366005.9
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN111850684A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 吳長征;吳俊馳;郭宇橋;楊波;謝毅
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B29/60;C30B25/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 程紓孟

本發明提供了一種制備二氧化釩基單晶體的方法，所述方法包括：在流動惰性氣體氣氛中，將包含釩源的原料加熱至950℃至1150℃之間的溫度，并保持24小時至72小時，隨后以不高于20℃/分鐘的速度降溫至室溫，以得到二氧化釩基單晶體，其中，所述釩源是除釩之外不包含其他金屬元素的含氧化合物，并且其中的釩為+4或+5價，氧與釩的摩爾比為2∶1以上。本發明制備的二氧化釩基單晶體是長度在1毫米以上且直徑在100微米以上的棒狀單晶。

技術領域

本發明涉及絕緣體-金屬相變材料領域，特別涉及一種二氧化釩基單晶體的制備方法及二氧化釩基單晶體。

背景技術

釩氧化合物是一類重要的強關聯材料，其晶體結構、電子結構和自旋結構在特定溫度下會發生強烈變化，產生對特定條件的機敏響應。

二氧化釩是尤為特殊的釩氧化合物，其在340K附近能發生絕緣體-金屬相變，在340K以上為金屬態的四方金紅石相二氧化釩，在340K以下為絕緣體態的單斜相二氧化釩，相變前后電阻變化可達10⁵倍，且具有極快速的溫度響應，可以作為對溫度極敏感的電阻開關，因此受到人們的特別關注。

對于二氧化釩材料，其晶體質量對絕緣體-金屬相變具有很大影響。通常來說，氧缺陷、異原子摻雜甚至晶體尺寸都會對相變溫度、相變遲滯寬度和相變前后電阻變化的量級大小有明顯影響。因此，制備高純度、低缺陷濃度和大尺寸的二氧化釩單晶對實現基于二氧化釩材料的快速響應電阻開關具有重大意義。

到目前為止，在二氧化鈦或者藍寶石襯底上生長二氧化釩薄膜是制備大尺寸二氧化釩材料的主要手段，但是在生長過程中受到苛刻的氧分壓和生長溫度等條件限制，難以大量生產，同時生長于襯底上的二氧化釩外延膜通常為多晶膜，導致絕緣體-金屬相變的熱滯回線寬度變寬，相變前后電阻變化幅度減小，難以實際應用于高精度快速響應。

因此，大尺寸高質量二氧化釩基單晶體的制備對實現其實際應用于高精度快速響應極其重要。

發明內容

在一個方面，本發明提供一種制備二氧化釩基單晶體的方法，所述方法包括：

在流動惰性氣體氣氛中，將包含釩源的原料加熱至950℃至1150℃之間的溫度，并保持24小時至72小時，隨后以不高于20℃/分鐘的速度降溫至室溫，以得到二氧化釩基單晶體，

其中，所述釩源是除釩之外不包含其他金屬元素的含氧化合物，并且其中的釩為+4或+5價，氧與釩的摩爾比為2∶1以上。

優選地，所述釩源選自由以下各項組成的組：釩的氧化物、含氧的釩鹽、釩含氧酸鹽、和它們的組合。

優選地，所述釩源選自由以下各項組成的組：五氧化二釩、偏釩酸銨、草酸氧釩、水合硫酸氧釩、硫酸銨釩、和它們的組合。

優選地，所述包含釩源的原料放置在半開放容器內。

優選地，所述半開放容器是位于水平惰性氣體流中的傾斜放置的單開口管，所述單開口管設置為管口高于管底且長度方向與水平面的夾角為5至35°。更優選地，所述單開口管的長度方向與水平面的夾角為20至30°。

優選地，所述流動惰性氣體氣氛包括惰性氣體的對流。

優選地，所述惰性氣體選自由以下各項組成的組：氮氣、氬氣、和它們的組合。

優選地，所述原料還包含摻雜元素源。

在另一個方面，本發明提供一種根據上述方法制備的二氧化釩基單晶體，其中，

所述二氧化釩基單晶體是長度在1毫米以上且直徑在100微米以上的棒狀單晶。

優選地，所述二氧化釩基單晶體的絕緣體-金屬相變溫度差在0.05K以下，其中絕緣相的電阻率為所述金屬相的電阻率的10⁵倍以上。