二氧化钒金属绝缘体相变电场可调性研究

摘要

日益恶劣的战场电磁环境下，用频电子设备电磁防护问题已经成为影响战争胜负的关键因素之一。如何解决正常环境下用频装备电子信息的正常收发与强电磁脉冲攻击下的防护之间的矛盾，是目前装备电磁防护技术的研究热点。从材料微观特性展开研究工作，目前已经在VO2材料中观测到电致电阻变换行为，且其相变温度接近室温、相变前后的主要特性参数接近装备电磁防护需求。但由于现有的各项VO2材料相变研究工作中没有明确分开电致相变和热致相变，欲将该材料应用于强场防护中还有待探讨，对VO2相变电场可调性的定性和定量研究迫在眉睫。本论文从凝聚态物理理论计算和材料电磁学实验相结合的角度，探讨了电场对VO2相变的可调性，分析了发生金属绝缘体相变的驱动机理。主要工作如下： (1)基于GGA(PBE)和LDA+U泛函近似方法，分析了VO2各磁性态构型的相稳定性，论证了实验中表现为顺磁性的R-VO2实质上是一种特殊反铁磁物质的可能性。讨论计算了VO2纯相体系的电子结构，并通过分析体系总能的各分解项分析了金属绝缘体相变驱动机理，描述VO2相变为结构驱动下的轨道选择相变。 (2)通过计算比较不同电场强度下体系基态总能，验证了VO2相变的电场可调性，并预测了电场单独作用下六层以下薄膜可能出现E-MIT的对应场强临界值范围。强调了VO2及其所代表的过渡族金属氧化物，在自适应电磁防护材料探索道路上占据的重要地位。 (3)通过反应性偏压靶离子束沉积方法在(0001)Al2O3衬底上沉积生长均匀的(010)M1-VO2薄膜，并以同轴法、伏安法研究了电场对VO2相变的影响，进一步说明VO2具备电场可调性，说明以VO2为基础研究和设计自适应电磁防护材料有一定可行性，以其为代表的过渡族金属氧化物有重大科研意义、应用前景。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 自适应电磁防护中的矛盾与现行手段

1.2 自适应电磁防护与过渡族金属氧化物

1.3 二氧化钒相变研究现状

1.3.1 二氧化钒相变基本过程与物理特征

1.3.2 二氧化钒相变驱动机制的探讨

1.3.3 二氧化钒相变阈值的可调性研究

1.4 论文主要研究内容

第2章 固体多粒子体系计算模拟方法

2.1 计算物理基本研究方法选择

2.1.1 分子动力学方法

2.1.2 蒙特卡罗方法

2.1.3 第一性原理方法

2.2 基于Ab initio分析固体体系结构

2.2.1 Kohn-Sham方程与交换关联泛函

2.2.2 晶体周期势场处理方法与计算软件选取

2.3 本章小结

第3章 VO2金属绝缘体相变电场可调性计算研究

3.1 模型建立与收敛性讨论

3.1.1 VO2纯相晶体单胞结构建立

3.1.2 计算模型收敛性讨论

3.2 VO2纯相晶体的不同磁性态计算

3.3 VO2纯相晶体的LDA+U不同U值计算

3.4 VO2体系电子结构与体系总能计算

3.5电场下VO2体系相稳定性计算研究

3.5.1 计算方案设计

3.5.2 方案可行性评估

3.5.3 计算实现与结果分析

3.6 本章小结

第4章 VO2金属绝缘体相变电场可调性实验研究

4.1 实验样品制备

4.1.1 RBTIBD技术

4.1.2 VO2薄膜的沉积生长

4.2 方案设计与可行性评估

4.2.1 VO2薄膜样品的表征

4.2.2 VO2MIT电场可调性实验方案设计

4.3 实验数据采集与分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

致谢

参考文献

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