VO2系统中3d过渡金属掺杂效应研究

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二氧化钒(VO2)作为一种典型的热致相变氧化物,在68℃处发生从高温金属相到低温绝缘相的转变,而这种相转变将导致VO2的某些物理性质如电、磁和光学等性质的突变,使得该材料具有广泛的应用前景,同时,这类材料中发生的金属-绝缘体转变的起因涉及到很多基础性物理问题,虽然至今已提出很多理论或模型,但其真正的机理仍不清楚。  本文围绕VO2块材样品的制备工艺以及3d过渡金属掺杂对V1-xTxO2(T=Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的电、磁性质的影响进行了实验研究,主要研究内容和结果如下:  (1)对室温具有单斜(M)结构的VO2纯相块材样品的制备工艺进行了探索。结果表明,在水热合成和真空退火处理后得到的VO2粉体的基础上,经900℃高温烧结可得到室温时为纯M相VO2块材样品。  (2)在固定x=0.02的掺杂量下,对3d过渡金属系列掺杂进行了比较性研究。结果表明,所有样品在340K温度附近均显示磁化率的突变和金属-绝缘体转变,且不同元素的掺杂对转变没有明显的影响。但在磁化率-温度曲线上,除了340K温度附近磁化率突变外,Cr、Fe和Co的掺杂明显不同于其它3d过渡金属掺杂,Cr和Fe掺杂的样品在280K附近发生了磁化率的突变,而Co掺杂样品在160K附近出现了磁化率的突变。  (3)为了了解Cr、Fe和Co掺杂引起低温磁化率异常的原因,我们以Co掺杂样品为例,从实验上研究了不同Co含量的掺杂对V1-xCoxO2块材样品的电和磁性质的影响。研究表明,在x<0.05范围内,Co掺杂没有明显影响340K温度附近的金属-绝缘体转变以及磁化率的突变,但引起低温下的磁化率明显变化,在160K温度附近磁化率随掺杂量增加而明显增大。这可能是由于样品中出现少量铁磁性的Co2VO4所致,结构和能谱分析表明,当x≥0.02时,样品中含有少量Co2VO4相,而Co2VO4在160K以下是铁磁性的,我们因此认为,低温下观察到的磁化率异常可能源于样品中出现少量铁磁性的Co2VO4所致。
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