[发明专利]二氧化钒基单晶体的制备方法及二氧化钒基单晶体

说明书

本发明提供了一种制备二氧化钒基单晶体的方法，所述方法包括：在流动惰性气体气氛中，将包含钒源的原料加热至950℃至1150℃之间的温度，并保持24小时至72小时，随后以不高于20℃/分钟的速度降温至室温，以得到二氧化钒基单晶体，其中，所述钒源是除钒之外不包含其他金属元素的含氧化合物，并且其中的钒为+4或+5价，氧与钒的摩尔比为2∶1以上。本发明制备的二氧化钒基单晶体是长度在1毫米以上且直径在100微米以上的棒状单晶。

技术领域

本发明涉及绝缘体-金属相变材料领域，特别涉及一种二氧化钒基单晶体的制备方法及二氧化钒基单晶体。

背景技术

钒氧化合物是一类重要的强关联材料，其晶体结构、电子结构和自旋结构在特定温度下会发生强烈变化，产生对特定条件的机敏响应。

二氧化钒是尤为特殊的钒氧化合物，其在340K附近能发生绝缘体-金属相变，在340K以上为金属态的四方金红石相二氧化钒，在340K以下为绝缘体态的单斜相二氧化钒，相变前后电阻变化可达10⁵倍，且具有极快速的温度响应，可以作为对温度极敏感的电阻开关，因此受到人们的特别关注。

对于二氧化钒材料，其晶体质量对绝缘体-金属相变具有很大影响。通常来说，氧缺陷、异原子掺杂甚至晶体尺寸都会对相变温度、相变迟滞宽度和相变前后电阻变化的量级大小有明显影响。因此，制备高纯度、低缺陷浓度和大尺寸的二氧化钒单晶对实现基于二氧化钒材料的快速响应电阻开关具有重大意义。

到目前为止，在二氧化钛或者蓝宝石衬底上生长二氧化钒薄膜是制备大尺寸二氧化钒材料的主要手段，但是在生长过程中受到苛刻的氧分压和生长温度等条件限制，难以大量生产，同时生长于衬底上的二氧化钒外延膜通常为多晶膜，导致绝缘体-金属相变的热滞回线宽度变宽，相变前后电阻变化幅度减小，难以实际应用于高精度快速响应。

因此，大尺寸高质量二氧化钒基单晶体的制备对实现其实际应用于高精度快速响应极其重要。

发明内容

在一个方面，本发明提供一种制备二氧化钒基单晶体的方法，所述方法包括：

在流动惰性气体气氛中，将包含钒源的原料加热至950℃至1150℃之间的温度，并保持24小时至72小时，随后以不高于20℃/分钟的速度降温至室温，以得到二氧化钒基单晶体，

其中，所述钒源是除钒之外不包含其他金属元素的含氧化合物，并且其中的钒为+4或+5价，氧与钒的摩尔比为2∶1以上。

优选地，所述钒源选自由以下各项组成的组：钒的氧化物、含氧的钒盐、钒含氧酸盐、和它们的组合。

优选地，所述钒源选自由以下各项组成的组：五氧化二钒、偏钒酸铵、草酸氧钒、水合硫酸氧钒、硫酸铵钒、和它们的组合。

优选地，所述包含钒源的原料放置在半开放容器内。

优选地，所述半开放容器是位于水平惰性气体流中的倾斜放置的单开口管，所述单开口管设置为管口高于管底且长度方向与水平面的夹角为5至35°。更优选地，所述单开口管的长度方向与水平面的夹角为20至30°。

优选地，所述流动惰性气体气氛包括惰性气体的对流。

优选地，所述惰性气体选自由以下各项组成的组：氮气、氩气、和它们的组合。

优选地，所述原料还包含掺杂元素源。

在另一个方面，本发明提供一种根据上述方法制备的二氧化钒基单晶体，其中，

所述二氧化钒基单晶体是长度在1毫米以上且直径在100微米以上的棒状单晶。

优选地，所述二氧化钒基单晶体的绝缘体-金属相变温度差在0.05K以下，其中绝缘相的电阻率为所述金属相的电阻率的10⁵倍以上。