二氧化釩微-納米線的相變特性及其在熱電轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用研究.pdf

1、本文圍繞智能材料二氧化釩(VO2)微/納米線進(jìn)行了深入的探討和研究,制備合成了單晶二氧化釩微/納米線,深入探索了這種納米材料的晶體結(jié)構(gòu),相變機(jī)理,力學(xué)性能,熱電性能和壓力.溫度相圖等方面基礎(chǔ)研究,并重點(diǎn)對這種微/納米線在高精度傳感器,廢熱利用等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了實驗和理論研究,完成了“制備-研究-應(yīng)用”全過程的研究工作。
　　 主要的研究和成果如下:
　　 (1)進(jìn)行了二氧化釩納米線和微米線的合成研制。通過物理氣相凝聚的方

2、法在硅片上制備了單晶的二氧化釩納米線和微米線。并經(jīng)過光刻法(photolitho-graphy)和濺射沉積法(sputtering)研制出了納米級電學(xué)測量裝置,并利用該裝置對二氧化釩納米線的電阻率和光反射率等隨溫度變化的相變特性進(jìn)行了實驗測試研究。
　　 (2)開展了二氧化釩納米線的力學(xué)性能的研究工作。通過原子力顯微鏡的實驗測量和數(shù)據(jù)分析得到該納米線相變前后的彈性系數(shù),以及各個相變因素(所受應(yīng)力、環(huán)境溫度、金屬元素的摻雜等等)對

3、二氧化釩納米線的楊氏模量的影響。然后在該力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究二氧化釩納米線在熱驅(qū)動器、壓力傳感器及溫度傳感器上的應(yīng)用,尤其是在該納米線摻雜鎢后可在室溫下的應(yīng)用。
　　 (3)建立了二氧化釩納米線的熱電效應(yīng)測試系統(tǒng),并對其進(jìn)行了實驗和理論研究。設(shè)計二氧化釩納米線熱電效應(yīng)的性能測試裝置,并對該微/納米線的熱電系數(shù),ZT系數(shù)進(jìn)行測量和分析；研究了相變對其熱電轉(zhuǎn)換效率的影響,以及討論了二氧化釩在熱電材料方向的發(fā)展前景。

4、>　　 (4)通過實驗直接觀察了二氧化釩的M2相結(jié)構(gòu)并完成了相圖的繪制。經(jīng)過細(xì)致的選區(qū)電子衍射分析(SEM),并結(jié)合XRD,TEM等實驗方法,發(fā)現(xiàn)了M2相的α、β相分量排列:研制以VO2納米線為可彎曲電子元件,聚合物PDMA為可彎曲基底的納米級電學(xué)裝置,并利用此裝置測量二氧化釩納米線的電阻隨彈性應(yīng)力、基底溫度的變化,最終完成其應(yīng)力-溫度相圖的標(biāo)定。
　　 (5)建立相關(guān)實驗系統(tǒng),研究了在經(jīng)過不同壓電材料的沉積涂層處理后的二氧化

5、釩雙層微/納米線在廢熱利用領(lǐng)域的應(yīng)用。利用VO2雙層微/納米線受熱相變彎曲、冷卻復(fù)原的特性,在該微/納米線上鍍上壓電材料薄膜,使得該微/納米線在受熱彎曲、冷卻復(fù)原過程中將納米線吸收的熱能轉(zhuǎn)換為電能,從而形成一個熱電轉(zhuǎn)換裝置。經(jīng)過理論計算表明,當(dāng)熱源溫度為100℃時,該裝置的理論熱電效率最高可達(dá)18.3％。在以上力學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上,利用輻射增大空穴濃度的方式來減小微/納米線的相變時滯寬度,從而提高該熱電轉(zhuǎn)換器的能量轉(zhuǎn)換頻率；另外還利用增