检索历史 清除

摘要二氧化钒作为典型的热致变色材料，在民用、军事、国防、信息等众多领域具有非常巨大的潜在应用价值。虽然从发现二氧化钒相变特性至今已有半个多世纪，但在实际应用中仍有一些问题亟待解决。例如:二氧化钒的半导体-金属转变(SMT)机理一直尚有争议;二氧化钒薄膜在应用过程中的生物安全性问题令人担忧，却鲜有报道。针对以上研究现状，本文着重研究二氧化钒基薄膜的热致相变性能及生物性能。主要研究结果和结论如下:<br>　　1.选择MgF2(111)单晶作为衬底，采用磁控溅射技术制备出性能优异的二氧化钒外延薄膜，调查晶粒尺寸效应对VO2薄膜光学开关性能和电学开关性能影响。VO2薄膜与MgF2(111)单晶衬底的外延关系为:(210)VO2(M1)//(111)MgF2或者(111)VO2(R)//(111)MgF2。晶粒尺寸效应影响VO2热致相变性能。<br>　　2.设计和制备VO2/graphene/Ge异质结构。先用化学气相沉积技术在Ge衬底上制备出单层高质量石墨烯薄膜，又用磁控溅射设备沉积50nm二氧化钒薄膜。石墨烯层的褶皱作用会影响VO2薄膜的结晶性，从而劣化光学开关性能。石墨烯层的存在不仅使VO2薄膜的相变温度从340 K降低到330K，还使得graphene/Ge的吸收边较Ge的发生红移。结合能带理论，从电子迁移角度对石墨烯降低VO2相变温度做出解释。即，由于VO2的功函数比石墨烯的要大，一旦石墨烯和VO2接触，电子将自发地从石墨烯流向VO2，使VO2的电子浓度升高。该作用机制支持Mott-Hubbard理论。<br>　　3.设计和制备VO2/Au/VO2三明治结构薄膜。VO2作为贵金属纳米颗粒的环境介质，可以实现λSPR随温度的可逆调控。Au的局域表面等离子体共振特性和VO2热致相变性能与Au的沉积时间（即颗粒尺寸）有很大关系。增加Au沉积时间，Au颗粒尺寸越大，半导体相和金属相的共振峰均发生红移和宽化。室温下的共振波长可以从可见光区域(686nm)调节到近红外区域(1482nm)，金属相和半导体相之间的共振波长差值（△λSPR）最大为714nm。此外，Au颗粒尺寸增加还引起相变温度降低，回线宽度变大。<br>　　4.采用人肝内胆管上皮细胞(HIBEpiC)评价二氧化钒薄膜的生物安全性。与空白石英样品相比，VO2薄膜能显著抑制细胞增殖，引起细胞畸变，出现细胞质流出现象。VO2薄膜在生物体内主要以+5价的H3VO4-形式存在。VO2薄膜具有细胞的毒性的可能机理为:钒通过两种途径阻碍了线粒体中ATP的合成。第一种途径:钒占据在磷的位点，直接阻碍ATP的合成;第二种途径:细胞为了给自身解毒，将毒性较强的+5价钒还原成毒性较弱的+4价钒，干扰呼吸链中电子传递，间接影响ATP的合成。<br>　　5.为了降低VO2薄膜细胞毒性，促进其在智能窗领域的应用，设计出不同膜厚ZnO保护的VO2薄膜。在合适膜厚下，ZnO层能够有效地阻止钒离子释放，降低VO2层细胞毒性，提高其生物安全性。ZnO层能保护VO2薄膜，起到抗氧化、抗腐蚀的作用。此外，ZnO还兼具抗菌和提高VO2节能效率（可见光透过率和太阳能调节率）的功能。<br>　　6.通过精确控制磁控溅射参数，制备出从离散纳米颗粒到连续成膜的VO2纳米材料。发现VO2纳米材料（颗粒和薄膜）具有选择性抗菌行为，能够有效地抑制革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌）的增殖，却对革兰氏阴性菌（大肠杆菌和绿脓杆菌）无明显影响。这种选择性抗菌特性可能与革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌对ROS的敏感度不同有关。