钼掺杂VO2单晶的快速热氧化法制备及其金属-绝缘体相变温度调控研究

为解决VO2金属-绝缘体相变（MIT）温度过高的问题，研究人员通过快速热氧化法制备了不同钼（Mo）掺杂量的VO2单晶。研究发现Mo掺杂可高效降低MIT温度（~50°C/at.% Mo），且单晶呈现均匀的棒状中空形貌。该成果为智能窗、传感器等器件的室温应用提供了新材料策略。

　　

研究背景
在智能材料领域，二氧化钒（VO₂）因其独特的金属-绝缘体相变（MIT）特性备受关注。当温度接近67°C时，VO₂会从低温的单斜相（M1）绝缘态转变为高温的金红石相（R）金属态，同时伴随电阻率、光学透过率等性质的突变。这一特性使其在智能窗、红外隐身、传感器等领域具有广阔应用前景。然而，VO₂的相变温度远高于室温，极大限制了其实用性。

目前，元素掺杂是调控VO₂相变温度的主要手段。钨（W）、铌（Nb）等过渡金属掺杂虽能降低MIT温度，但效率有限（如W掺杂约20-30°C/at.%）。钼（Mo）作为同族元素，理论上具有更高掺杂效率，但现有研究多集中于薄膜或粉末材料，且不同制备方法导致的掺杂效率差异显著（7.86-23.4°C/at.%）。此外，单晶VO₂因其缺陷少、性能稳定，是基础研究的理想体系，但传统制备方法复杂且成本高昂。

研究方法
西安交通大学团队采用真空电弧熔炼制备V-Mo合金（Mo含量0-10 at.%），通过快速热氧化法在空气中直接生长Mo掺杂VO₂单晶。利用扫描电镜（SEM）观察形貌，能量色散谱（EDS）分析元素分布，高分辨透射电镜（HRTEM）和电子衍射验证单晶结构，X射线光电子能谱（XPS）测定价态，差示扫描量热（DSC）量化相变温度变化。

研究结果
形貌与物相
SEM显示所有样品均呈现规则棒状中空结构，截面为矩形（图1a）。EDS证实Mo、V、O元素均匀分布，Mo实际掺杂量为0.08-0.4 at.%。XRD显示纯VO₂(M)相，无杂质峰。HRTEM晶格条纹（0.34 nm对应VO₂(011)面）及清晰衍射斑点进一步确认单晶特性。

价态与相变行为
XPS显示V⁴⁺/V⁵⁺共存及Mo⁶⁺特征峰，表明Mo成功取代晶格中的V位点。DSC结果表明，Mo掺杂使MIT温度从纯VO₂的67°C线性下降至27°C（0.4 at.% Mo），效率高达50°C/at.% Mo，优于文献报道的W、Nb等掺杂体系。

结论与意义
该研究通过简易热氧化法实现了Mo掺杂VO₂单晶的可控制备，其棒状中空形貌有利于光热响应。50°C/at.% Mo的降温效率创下元素掺杂VO₂的最高记录，归因于Mo⁶⁺引入的额外电子有效削弱V-V二聚体稳定性。这一发现为开发室温响应的VO₂基智能器件提供了新材料体系，且热氧化法具有成本低、易放大的产业化优势。未来可通过掺杂浓度梯度设计进一步优化相变滞回特性，推动其在动态红外调控等领域的应用。