钼酸铜热致变色行为的调控及机制研究

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近年来,钼酸盐体系材料备受广大学者以及社会各界的关注。因为它们具有许多重要的性能和应用,例如在热(压)致变色传感器、催化储能、光致发光、无线通信、微波介质等。这些材料对于人类的生活、生产和科学研究起到了重要作用。然而,如今由于一些像特殊材料稀缺、制备工艺不成熟、性能不易控制、节能环保不理想等诸多因素,导致在新材料的开拓、复杂结构的探索以及复合性能的提优等方面造成重重困难。而且钼酸盐体系材料结构独特、可掺杂物质种类繁多。因此,能够更好的发掘、探究以及应用在钼酸盐体系及其相关材料仍然是当今材料界物化领域的一份十分重大的研究任务。本文主要通过对钼酸铜进行A位、B位掺杂来探究其热致变色行为的调控和机制。结合介电谱、光学谱、相组成、结构、元素价态、差热等表征手段对钼酸铜体系进行分析和讨论。研究其在宽温宽频条件下的热致变色机理、微观粒子运动导致的介电弛豫机制以及相变与弛豫间的潜在联系。结果表明,通过掺杂能够有效的调控钼酸铜的热致相变温度,A位和B位掺杂的金属阳离子(如镁、钨)导致钼酸铜结构畸变,由此产生的自由电子使得钼酸铜晶体内束缚电子由禁带跳跃到导带所须求的能量减少。此时区域电子逐渐摆脱束缚形成离域状态下的电子,这些电子可以吸收各种波长对应的能量,从而引起钼酸铜颜色变化的视觉效应。而在钼酸铜体系介电性能的研究中,发现了由铜离子价态交换以及氧空位运动引起的热激活弛豫过程。通过与掺杂后的结果比较,发现在A、B位掺杂都会对氧空位主导的介电弛豫产生抑制效果。而且在B位掺钨的过程中,小极化子弛豫并没有受到影响;但在A位掺镁的过程中,小极化子弛豫消失。(1)通过改进的溶胶-凝胶法制备了单相的CuMoO4陶瓷样品,并且研究了样品的介电性能与温度(-130150oC)或频率(110MHz)的函数关系。结合样品的物相、差热、元素价态等表征手段,将所得数据通过处理并加以分析得出以下结论。ε’和tanδ对温度的依赖性可以确定CuMoO4材料中发生一级相变(γ→α),升温时相变温度为-38oC,DSC的结果可佐证这一点;在tanδ与M″的频率依赖性中,观察到三种热激活弛豫,分别对应于低温部分的弛豫1(0.33eV)和高温部分的弛豫2(0.51eV)、弛豫3(0.66eV)。值得注意的是,低温弛豫与高温弛豫的转折温度恰好与相变温度近似,故也可以认为R1发生在γ相,R2和R3发生在α相;结合XPS分析认为弛豫1与少量电荷载流子在Cu2+和Cu+之间的跳跃运动有关,属于小极化子弛豫。弛豫2和弛豫3则认为与氧空位运动有关,其中弛豫2归因于单电离氧空位跃迁,而弛豫3是双电离氧空位有序运动引起的。(2)通过采用改进的溶胶-凝胶法制备了W掺杂的钼酸铜化合物(CuMo1-xWxO4(x=00.12)),结合各种表征手段研究分析了W掺量对CuMo1-xWxO4(x=00.12)材料的热致变色(相变)、光学和介电性能的影响。X射线衍射和UV-vis-NIR漫反射光谱表明,W掺杂促进了绿色α相向棕色γ相的转变。采用了傅立叶变换红外光谱和拉曼光谱研究并讨论了CuMo1-xWxO4(x=00.12)的化学组成和结构。发现W掺杂对CMW的影响的光学机理,解释了由结构导致变色现象产生的原因;CuMo1-xWxO4(x=00.12)在-130150℃的介电谱和CuMo0.94W0.06O4在2050℃的颜色变化表明,相变温度随W的增大而向高温方向移动;电模量M″与频率(110MHz)的函数关系表明存在两种介电弛豫机制,它们分别对应于低温部分(R1)小极化子跳跃运动引起的极化弛豫和高温部分(R2)氧空位主导的弛豫;证实CuMo1-xWxO4中存在弛豫型相变,即R1发生在γ相,R2发生在α相。从而建立相变与弛豫重要的介电关系;W掺杂对CuMoO4的弛豫影响表现在:随着W含量的增加,R1的弛豫峰强度和活化能变化不大,但R2的弛豫行为受到抑制,活化能逐渐增加。(3)通过采用改进的溶胶-凝胶法制备了Mg掺杂的钼酸铜化合物(Cu1-xMgxMoO4),主要研究了Mg掺杂对Cu1-xMgx MoO4陶瓷氧化物的热致变色、介电弛豫等性能的影响。XRD结果显示Cu1-xMgxMoO4是Mg掺杂了单相的CuMoO4的结果,随着掺量增加,Cu1-xMgxMoO4的相组成基本保持不变,但晶面指数(-220)对应的峰强度在逐渐增大。当掺量大于0.4以后,结构发生明显改变,并逐渐向MgMoO4的相移动,这一点与拉曼图谱结果表现一致;Cu1-xMgxMoO4陶瓷的形貌分析表明陶瓷样品基本呈现良好的晶粒均匀性,且晶粒尺寸都不超过20μm。但是陶瓷致密化程度不是很高,小部分晶界之间存在空隙。可能是由于烧结温度不高或时间过短以及少量Mg掺杂后的晶格畸变所致;DSC和介电损耗结果表明Cu1-xMgxMoO4陶瓷中存在相变过程,Mg掺量增加导致相变朝着高温方向移动。当掺量大于0.4以后,相变消失在图谱中,甚至移向更高的温度;M"(f)图显示Mg掺杂的Cu1-xMgxMoO4陶瓷中存在氧空位主导的热激活弛豫过程,随着Mg掺量的增加,弛豫特征峰朝着更低频方向移动,弛豫强度也有所降低,活化能逐渐增大,弛豫行为受到抑制。
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