[發明專利]一種二氧化釩單晶驅動器及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110181070.1
• 申請日: 2021-02-09
• 公開（公告）號: CN112938893B
• 公開（公告）日: 2023-10-17
• 發明（設計）人: 程春;石潤;陳勇;申楠;孔偉光;甘翊辰;王子旭;趙婭萱
• 申請（專利權）人: 南方科技大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B81B3/00;C30B25/02;C30B29/16;B82Y15/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 潘登

本發明提供一種二氧化釩單晶驅動器及其制備方法與應用，所述制備方法包括以下步驟：(1)按照質量比為(1?2):1混合五氧化二釩粉末與二氧化硅粉末，得到釩源粉末；(2)將生長襯底置于步驟(1)所得釩源粉末的正上方，一并放入加熱系統；(3)將步驟(2)所述加熱系統抽真空并通入保護氣體，啟動升溫程序進行化學氣相沉積反應，制得二氧化釩單晶驅動器。本發明將M2相與T相可控地應用于二氧化釩單晶驅動器，充分利用了M2?R相變與T?M2相變以實現理論的最佳驅動性能，減少了驅動過程的能量損耗，提升了驅動器的穩定性和耐腐蝕性。

技術領域

本發明屬于先進微納驅動器技術領域，涉及一種單晶驅動器，尤其涉及一種二氧化釩單晶驅動器及其制備方法與應用。

背景技術

科研人員發現M1相二氧化釩在加熱到68℃時可轉化為R相二氧化釩，并沿R相的[001]方向產生約為1％的壓縮應變，這一特性使得二氧化釩可被用于制作熱驅動器件。近年來，國內外學者發現二氧化釩熱激發微驅動器能夠同時滿足高頻、高振幅與高輸出功率的應用需求。其中，基于二氧化釩單晶微納米線(沿R相的[001]方向生長)的驅動器展現出了最為優異的驅動能力。

2010年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的吳軍橋教授將二氧化釩單晶納米線與金屬鉻組合成雙晶驅動器，可產出高達2.5×10⁴m^-1的曲率變化以及7J/cm³的理論功密度(Journal of Applied Physics 108,083538(2010))。2013年，該課題組探索了二氧化釩納米線和鉻的雙晶微驅動器性能極限，發現了該器件也能夠實現千赫茲級別的工作速率，將熱能轉換為機械能的效率可以達到0.85％。同時，該工作也發現驅動器彎曲時的雙晶界面應力可以引入亞穩態M2相二氧化釩的生成，而由于M2相向R相轉變可產生高達～2％的應變。因此，該雙層器件可以產生更大振幅與更高的能量轉化效率(～3.4％)(Wang K,ChengC,Cardona E,et al.Performance limits of microactuation with vanadium dioxideas a solid engine[J].ACS nano,2013,7(3):2266-2272)。2019年，該發明人團隊開發了一種單晶二氧化釩納米線驅動器的制備方法，通過鎢摻雜以及反應條件的空間不對稱分布，在制備得到的單晶納米線中形成側向氧濃度梯度以及側向不對稱相變，以實現單根二氧化釩納米線的雙向自彎曲行為，其驅動性能與雙晶二氧化釩納米線驅動器相當，并展現出較雙晶驅動器更優的循環穩定性(Shi R,Cai X,Wang W,et al.Single-CrystallineVanadium Dioxide Actuators[J].Advanced Functional Materials,2019,29(20):1900527)。

然而，納米線/金屬雙晶驅動器的驅動能力受到雙層厚度比和界面接觸情況的直接影響，因此存在鍍層脫落造成的穩定性差以及耐腐蝕性差等客觀問題。而此前開發的單晶驅動器雖然克服了雙晶驅動器中的問題，卻無法利用M2-R相變以實現理論的最佳驅動性能。而雙晶體系中M2相的產生并不能受到合理的控制與利用，因此如何將M2相可控地應用于二氧化釩單晶驅動器仍是一個關鍵問題。此外M1相與M2相之間存在一個過渡相T相，研究者發現由T相向M2相轉化也可產生高達～0.7％的線性應變，同時該相變所需的能量遠遠低于M1或者M2相向R相轉變所需的能量，因此能否將T相引入驅動器以減少驅動過程的能量損耗，成為了驅動器件設計與制備過程中的重要考量。

由此可見，如何提供一種二氧化釩單晶驅動器及其制備方法與應用，將M2相與T相可控地應用于二氧化釩單晶驅動器，充分利用M2-R相變與T-M2相變以實現理論的最佳驅動性能，減少驅動過程的能量損耗，提升驅動器的穩定性和耐腐蝕性，成為了目前本領域技術人員迫切需要解決的問題。

發明內容