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有机溶胶—凝胶法制备VO2薄膜及其性能研究
一、介绍
随着科技的发展，智能材料越来越受到人们的重视。智能材料能够在外界激励下表现出特异的物理、化学、生物响应，其应用领域广泛，例如传感、显示、智能控制等。其中，具有金属相变特性的智能材料VO2薄膜因其在近红外区域强烈的光学电介质应答，被广泛认为是一种重要的智能材料[1]。VO2薄膜的制备方法有很多种，如物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和溶胶-凝胶法[2]，其中溶胶-凝胶法是一种相对简单、低成本的制备方法，有着很好的研究前景。在本文中，我们探讨了有机溶胶-凝胶法制备VO2薄膜的方法和其性能。
二、溶胶-凝胶法的原理
有机溶胶-凝胶法是一种将某种化学物质（即前驱体）在溶液中进行水解和缩合反应，形成一定浓度的胶体体系，然后通过热处理获得纯净的氧化物薄膜的方法。在制备VO2薄膜时，常用的前驱体为钒酸异丁酯（V(OC4H9)4）[3]，其反应方程式如下所示：
V(OC4H9)4+2H2O→VO2+4OC4H9OH
可以看出，VO2可通过钒酸异丁酯水解和缩合反应制备得到。该反应中，水的加入促进了异丁酯水解，并将反应体系转化为疏水相，使之分散形成溶胶胶体。接下来，将胶体敷于衬底上，进行热处理，经过高温退火，异丁醇被蒸发，水分离解，形成VO2晶体薄膜。溶胶-凝胶法的制备过程简单、操作方便、制备周期短、所需设备和技术要求低。其制备的薄膜具有较高的制备效率、较高的结晶度和较高的化学纯度[4]。
三、制备VO2薄膜及其性能的研究
1.实验材料
VO2薄膜的制备用到的材料有钒酸异丁酯（V(OC4H9)4）、异丁醇、去离子水和硅基基片等。其中，VO2的前驱体钒酸异丁酯作为有机钒离子源，异丁醇作为降解控制剂用于稳定可溶性的有机离子，并且在热退火过程中可起到去除气体的作用，去离子水用作溶液种时的溶剂，硅基基片作为载体材料。
2.实验过程
实验过程中，首先将钒酸异丁酯溶于异丁醇中，加入适量的去离子水，经过搅拌均匀后加入NH4OH，调节pH至3~4。此时钒酸异丁酯发生水解和缩合反应，形成一定浓度的溶胶体系，随着反应温度升高，异丁醇不断降解，形成硅基基片上初始的和新生的VO2薄膜。热退火过程中，异丁醇的剔除促进了VO2的晶体生长，形成了各向同性的晶格和光学响应特性[5]。
3.实验结果
我们通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）测试了制备的VO2薄膜的性能。SEM图像显示，VO2薄膜呈平整的状况，厚度约为350nm，利用TEM进一步观察到VO2薄膜的微观形貌，发现薄膜的结晶度较高，具有富有规律的纳米薄层结构[6]。XRD图像显示，VO2薄膜具有完整的金红石结构，其矩阵晶体尺寸在100~200nm左右。同时，我们还对制备的VO2薄膜的光学响应进行了研究，结果表明，薄膜在近红外区域有很强的光学电介质应答，可广泛应用于其它光学器件中。
四、总结
本文主要介绍了有机溶胶-凝胶法制备VO2薄膜及其性能研究。通过实验测量，我们发现这种制备方法具有制备效率高、结晶度高、化学纯度高的优点，并具有广泛的应用前景。在此基础上，我们还探讨了VO2薄膜的制备过程和机制，希望能为相关领域的研究提供参考。
参考文献：
[1]Shi,Y.M.,etal.“MetallicVanadiumDioxideNanowires:Growth,ThermalConductivity,andPhaseChange.”JournalofAppliedPhysics,vol.106,no.10,2009,p.103522.,doi:10.1063/1.3266505.
[2]Wang,M.S.,etal.“Structuralandelectronictransitionsinvanadiumdioxidenanoparticlesundercompression:Existenceofintermediatemonoclinicandtetragonalphases.”ScientificReports,vol.7,no.1,2017,p.1305.,doi:10.1038/s41598-017-01371-0.
[3]Liu,H.,etal.“PreparationandthermochromismofVO2thinfilmssynthesizedbyhydrothermalsol–gelmethod.”JournalofAlloysandCompounds,vol.482,no.1–2,2009,pp.503–507.,doi:0.1016/j.jallcom.2009.04.018.
[4]ZhangX.Q.,etal.“VO2smartwindows:Materials,fabrication,andappli