CUA MANG MONG OXYT VANAD
2.2.Sir thay đi tinh chat dien trong chuyen pha ban din kim loa
2.2.1. Hien tug^g tre nhiet
Dudi tac dung cua nhiet do, dien trudng hoac anh sang lade tinh chat vat ly ciia mang mdng VO2 thay đi thuan nghich tai nhiet do 67 "C tiic la nd cd su chuyin pha loai I khi nhiet do ciia miu Idn hoac nhd hon NDCP. Bdi vay, mang mdng VO2 cd do din dien bien đi thuan nghich khi nhiet do ciia miu dugc thay doi xung quanh NDCP. Tuy nhien, nghien ciiu do din dien cung nhu cac dac tinh khac phu thudc vao nhiet do theo chilu tang va giam xung quanh NDCP da cho thay hien tugng tri nhiet cung ludn ton tai trong mang mdng, tham chi ngay ca trong don tinh thi VO2. Hien tugng tri nhiet trong su chuyin pha BDKL (chuyin pha loai I) cd lien quan dén su tdn tai cac trang thai gia ben. Bang cac phep do chinh xac, cac tac gia [1,7] da xac dinh dugc thdi gian tri nhiet trong mang mdng VO2 vao khoang 1 giay, trong khi đ đi vdi don tinh thi chi vao khoang 10"' dén 10"^ giaỵ Dilu nay cho thay do tri nhiet cang nhd khi cau tnic mang tinh thi cang hoan haọ Do tri nhiet cdn cd lien quan chat che tdi gia tri iing suit co nhiet. Trong don tinh the iing suit co nhiet cd gia tri rit nhd, nhung do qua trinh chuyen pha khdng thi xay ra dong thdi tren toan bd mang tinh thi, din den sir hinh thanh hdn hgp cac "nhan" ciia hai pha (cd hing sd mang khac nhau). Dd la nguyen nhan gay ra sir tang iing suat.
Ndi tdm lai, hien tugng tri nhiet trong chuyen pha BDKL ciia VO2 gay ra bdi hai nguyen nhan chinh: thii nhit la do sir ton tai ciia cac trang thai gia ben lien quan dén nang lugng tu do ciia mang tinh thi, thii hai la do iing suit co nhiet. Hai yeu td nay cd tac dung qua lai lin nhaụ
2.2.2. Hieu tkng chuyen mach
Nhu chiing ta da bidt, nhilu loai vat lieu cd dac trung Von-Ampe (iv) dang chiJ S cd thi diing dl che tao hnh kien chuyin mach [7, 17]. Vi khdng dua tren tfnh chit ciia chuyin tidp p-n nhu trong cac chit ban din, cho nen cac linh kien nay dugc che tao don gian va cd do bin caọ VO2 la mdt vat lieu thfch hgp nhit dl che tao cac linh kien chuyin mach kilu nay [7], Do dap iing ciia mach nhanh len dang kl khi sir dung VO2 mang mdng lam ciu tir. Do dien trd ciia VO2 dudi NDCP tuong đi cao nen khi cd dong dien chay qua mang mdng rit dl bi đt ndng. Ket qua nghien cim su phu thudc giira cudng do đng dien va hieu dien the dat vao ciu tir VO2 dugc gin trong mach dilu khiln cho thiy khi đng dien dat den mdt gia tri Ic nao đ thi dien trd cua ciu tir giam xudng dot ngdt, khi đ dien the tuong iing se la Uc- Dudng cong phu thudc cua cudng do đng dien vao thd hieu dat len he nay dugc ggi la dudng dac trung Von-Ampẹ Ciu tir VO2 cd dac tnmg Von-Ampe hinh chii S (Hinh 2.1).
Trong [7], cac tac gia da khao sat su phu thudc ciia U^. vao nhiet do trong dai nhiet đ tir -50*^0 den 50°C (Hinh 2.2), cho thiy the chuyin mach U^ cua VO2 khdng phai la mdt hing sd ma phu thudc vao nhiet do mdi trudng TQ xung quanh miụ Dudng bilu diln sir phu thudc cua the chuyin mach vao nhiet do mdi trudng xung quanh (U^o) ciia VO2 cd diem udn tai To= ÔC. Khi nhiet do mdi trudng TQ < 0 °C thi the chuyin mach U^ phu thudc vao nhiet do mdi trudng iing vdi miu thermistor.
AE U^ - T, exp
KT, (2.1)
Neu nhiet do mdi trudng Ty > 0 *^C, thi the chuyen mach U^, phu thudc vao nhiet do mdi trudng xung quanh iing vdi miu nhiet do tdi ban.
Uc-(T,-To)'^ (2.2) Hinh 2.1 la do thi khao sat dac trung Von-Ampe (iv) tai nhiet do phdng, cd thi nhan
dac trung iv la rat phiic tap. Cd ba vimg bien thien chfnh sau day:
Vung Ị Luc dau khi dien the tang đng cung tang theo: dudng dac trung iv tuan theo dinh luat 6m, sau đ đng tang nhanh hon chung td cd sir toa nhiet Jun- Lenxo, lam cho cau tir bi ndng len, dien trd ciia VO2 da bit dau giam. Khi hieu dien the dat den gia tri tdi ban U^., phan I kei thiic bing qua trinh chuyen mach.
Nghien cihi su phu thudc cua thd chuyin mach Uc vao nhiet do mdi trudng TQ cd the lam sang td co chd chuyen mach. Mot each tudng minh, cd thi viet phuong trinh can bang nhiet ciia chuyin mach cho mdt don vi the tfch [7].
H[T-T,)=â^JJ^ (2.3)
Hinh 2.1. Dudng dac trung Von-Ampe ciia mang mong VO2
-AQ -20 0 20 40 60
Hinh 2.2. Su phu thudc cua thé chuyin mach Uc vao nhidt d6 m6i trudng TQ
O day H la hang sd nhiet phu thudc vao hinh dang, ban chit vat lieu de; Ofj^ la do
din dien phu thudc vao nhiet do cua mang mdng VO2; T la nhiet do ciia mang mdng VO2 va U la hieu dien the dat len miụ
Ben phai phuong trinh (2.3) la cdng thiic cdng suit toa nhiet Jun-Lenxo khi cd đng dien chay qua miu va ben trai la cdng suit tieu tan. Phuong trinh nay khdng tfnh dén mgi chi tiet ciia qua trinh chuyin mach tuy nhien, nd cung da chi ra dugc dac diem cua qua trinh naỵ
Dd din didn cua chit ban din duoc xac dinh theo bilu thiic: - A £
o - c n - ^ o e x p ^ ^ (2.4)
AE = Eg-Ê (2.5) Trong do: AE la nang lugng kich hoat; T la nhiet do cua miu; K la hang sd
Bolzorman; Eg la nang lugng vimg cim va Ep la muc nang lugng Fecmị Tir bilu thiic (2.3); (2.4) ciing vdi cac phep bien doi don gian thi dugc bieu thiic (2.1) iing vdi miu Thermistor. Co che chuyen mach ndi tren cd trong tit ca cac chit ban din
ndi chung va trong nhiet dien trd ndi rieng, vi vay co che nay ggi la co chd chuyin mach kilu nhiet dien trd (NDT).
Dudi tac dung cua dong dien, mang mdng VO2 cd dien trd giam dot ngdt khi nhiet đ ciia miu dat den T > TC. Cung tiir (1.3) va (1.4) kdt hgp vdi cac phep bien doi thi duoc:
[/2=//ZLj0g^jJ
^0
A£
KT, (2.6)
Do đ the chuyin mach U^. phu thudc vao nhiet do mdi trudng xung quanh miu iing vdi md hinh nhiet do tdi ban (2.2). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Viing IỊ Trong viing nay, dudng dac tnmg Von-Ampe thudng khd quan sat do su phat triln khdng dn dinh ciia đng sgi vdi cac thang giang tren viing IỊ Su phat triln khdng dn dinh trong trudng hgp ciia dac trung iv dang chir S la do thang giang tit din dgc theo chilu đng sgi va tang dan theo chilu vudng gdc vdi chilu đng sgị Vi vay trong trang thai dCmg mdi, he trd nen khdng đng nhat theo chilu ngang vudng gdc vdi sgi đng, nhung lai đng nhit theo chilu đng sgi va be mat. Ddng sgi cd khuynh hudng tdi xuit hien gin tinh khdng đng nhit ciia miu d ca ben trong va bl mat. Tinh khdng đng nhit bl mat ludn cd tren miu do vay đng sgi thudng xuit hien gin bl mat [7].
Viing III, la viing khi thiei dien đng sgi di qua dat kich thudc dn dinh do sir can bang giiia nhiet toa ra va nhiet tieu tan. Trong linh kien chuyin mach, đng sgi cd do rdng co dugc xac dinh bing cdng thiic:
J 2 A T / 1 5 2
6 day I la cudng do đng dien sgi; p la dien trd suit ciia mang mdng VO2; Sj la bl day ciia ldp dien mdi lam de; S2 la bl day ciia mang mdng VO2; A, la he sd din nhiet cua ldp dien mdi lam de; AT la do chenh lech nhiet do tren ldp dien mdi lam dẹ
2.2.3. Chuyen mach nhiet quang
Viec nghien cun co ban ciing nhu thuc nghiem vl vat lieu va linh kien khai thac sir dung biic xa nang lugng mat trdi da dugc quan tam dén tir nhieu thap ky qua, vi du nhu cac he thu hire xa mat trdi dl dun nude ndng, may phat dien nhd, may chung cit nude nggt, pin mat trdi, v.v.... Ciing vdi viec sii dung nang lucmg gid, sdng
biln, khf sinh hgc, nghien cun sir dung nang lugng mat trdi dugc xep vao hudng chung la vat ly va cdng nghe khai thac va sir dung nang lugng khdng truyin thdng, hay cdn ggi la nang lugng sach. Trong thap ky cudi ciia thd ky hai muoi trdn the gidi da xuit hien va ngay cang phat triln mdt hudng nghien ciiu cdng nghe mang mdng ung dung vao viec khai thac sii dung nang lugng mat trdi mdt each hieu qua nhit, cd ten chung la "Cira sd nang lugng hiiu hieu" (Energy-Efficient Windows - viet tit la EEW) [14]. Dap ung yeu ciu cua mdt EEW la hg vat lieu cd kha nang thay doi tinh chit quang dudi tac dung cua didn trudng, anh sang hay nhiet dua tren nguyen ly ciia cac hieu dng tuong dng la dien sac, quang sic va nhiet sic. Trong sd cac mang mdng cd tfnh chit nhiet sic, thi VO2 la mdt vat heu mang lai hieu suit nhiet sic cao hon ca, hon nira chiing cd nhiet do bien đi nhiet quang trung vdi NDCP (TC= 67^C) gin nhiet do lam viec ngoai trdi cua mdt tim kfnh phan quang (khoang 35 ^ 40"C). Dudi NDCP (vung nhiet do thip), mang mdng VO2 trong sudt d viing nhin thay, cho phep hiu hei bLi:c xa viing hong ngoai xuyen quạ Khi nhiet do tang len, nhit la tai vimg NDCP, do truyin qua trong viing nhin thiy hiu nhu khdng thay đi, nhung trong viing hdng ngoai thi do truyin qua giam xudng gin bing khdng, trong khi đ đ phan xa tang Idn rit caọ Mang mdng VO2 cd them ldp phii thich hgp [14] thi do truyen qua tai nhiet do phdng tuong tu nhu do truyin qua ciia mang mdng VO2 d
nhiet do Idn hon nhiet do chuyin pha T^ trong viing hdng ngoaị Da cd mdt sd cdng
trinh nghien ciiu cho thiy, khi pha tap chat thich hgp vao mang VO2 cd thi ha dugc NDCP xudng gin nhiet do phdng. Do đ VO2 la đi tugng dang dugc quan tam ngay mdt nhilụ Tuy nhien, viec che tao mang mdng dong nhat va don chat VO2 hay VO2 pha tap vin cdn la bi quyet cdng nghe, đi hdi su nghien ciiu cdng phu ca vl ly thuyet va thuc nghiem.
Trong thuc tiln nghien ciiu chuyin pha BDKL, cac cdng trinh diu chi ra ring nhiet do chuyin pha ciia mang da tinh thi khdng dn dinh nhu trong mang don tinh thị Viing nhiet do xay ra qua trinh chuyin pha cd thi la tir 20 -^ 30^ [1], nguyen nhan chii yeu ciia hien tugng nay dugc giai thfch la do su đng tdn tai hai pha ban din va kim loai d nhimg miu khdng dong nhat, sir mit can bing đng hgc mang tinh thi va ling suit co hgc gay ra bdi cac bien hat.
Ly thuyet vl "gigt kim loai" trong ma tran VO2 nhu da xem xet d phan tren da cho phep sir dung hieu qua phep tinh gin dung ap dung cho hing sd dien mdi, dl
tfnh toan su dich chuyin phd phan xa ciia mang VO2 va giai thich su thay đi tfnh chit quang trong mang quan sat tai viing chuyin pha BDKL.
Trong cdng trinh [1] cac tac gia da di sau vao tinh toan su bién thien he sd hip thu Aa trong thdi diim chuyen pha sir dung bilu thiic lien he chiet suit n vdi hing sd dien mdi e va he sd hip thu a:
n^=\[{shsi)'^^^^x\ (2.8) 2ỤS2
^ = r ^ (2.9) nA
Dd bien thidn chiet suit An va he sd hip thu Aa trong chuyen pha BDKL phu thudc vao budc sdng ciia ngudn chieu laser (trong ca viing kha kien va hdng ngoai) cd the xac dinh mdt each dl dang tir bilu thdc (2.8) va (2.9). Khi chieu tia lazer cd budc sdng lin lugt la A, = 0,44; 0,63; 1,15 (pm), tuong ung nhan dugc cac gia tri An = 0,28; 0,5; 1,34. Cdn vl hap thu thi ket qua tinh toan cho thiy, su khac biet vl he sd hip thu cua mang mdng VO2 d pha ban din va kim loai đi vdi ca ba budc sdng diu cho gia tri gin diing la Aa = aj^i - ag ~ 10"^ cm"'.
Nguyen nhan gay ra sir bien doi chiet suit An va tinh chat quang (do phan xa,
truyin qua va hip thu) cua mang mdng VO2 ciing da dugc cac tac gia [18] giai thfch la do cd su bién đi vl ciu tnic tinh thi ciia vat Ueụ Tai nhiet do nhd hon NDCP (x^= 67*^C), tinh the VO2 thudc pha ban din vdi cau tnic mang don ta (monoelinic). Do su meo d nhiet do thip, mot sd lidn kei V-O (dv-o = 0,176; 0,186; 0,187) nhd hon tdng ban kfnh cua ion V^ '^ va O" ^ (Rv-o = rv"*" + ro" = 0,200 nm). Khi nhiet do Idn hon NDCP, VO2 thudc pha kim loai vdi ciu tnic tu giac (tetragonal), khoang each d(v-o) = 0.194 nm rit- gin -trimg vdi R(v-o). Do đ, VO2 thudc cau tnic don ta cd do phan cue ion Idn hon so ciu tnic tir giac. Chiet suit cua cau tnic phan cue ion Idn thi Idn hon, cho nen chiet suit ciia VO2 giam khi cáu tnic tinh thi thay doi tir mang don ta sang mang tu giac, din dén do phan xa tang, do truyen qua giam trong chuyin pha ban din -kim loaị
Parker, Geiser [4] ciing cac dong nghiep da nghien curu ca ly thuyet va thuc nghiem ve sir phu thudc vao nang lugng photon cua ham sd dien mdi (s = 81 + is2) tai vimg nhiet do thap hon va cao hon NDCP. Kei qua tinh toan cung nhu thuc
nghiem dugc thidt lap cho ca phin thuc (Si) va phin ao (£2) cua ham sd dien mdi tai
nhiet đ 20"C trong pham vi nang lugng photon tii l-i- 4 eV. Cd the nhan thiy pho E2
cd mdt dinh rit rd gin nang lugng phdtdn cd gia tri 1,5 eV va mdt dinh khac thip hon dng vdi nang lugng photon d ngay trdn gia tri 2 eV. Tai nhiet do SÔC (trdn NDCP), trong vung nang lugng phdtdn td 0 -r 2,5 eV ham sd dien mdi £2 tang len so vdi khi do d nhiet do nhd hon NDCP. He sd £3 cd khuynh hudng tang len khi nang lugng photon giam da thi hien net dac trung cho tinh chit hip thu photon ciia pha kim loai khi nhiet đ cua mang mdng VO2 dat gia tri Idn hon 67°C.
Cac tac gia [4] da tién hanh nghien cdu ly thuyet ham sd dien mdi quang hgc td su tinh toan tuong tac ciia photon vdi dien tir tren cac mdc nang lugng xay dung len tir ly thuyet ciu tnic viing trong VO2 d hai pha ban din va kim loaị Ket qua thuc nghiem vl phd ehpsomet hoan toan phii hgp vdi tinh toan ly thuyet đ. Su phii hgp nay la co sd vihig chic khang dinh tfnh diing din ciia mdt md hinh ly thuyet, vi du nhu md hinh "Udn ket true chuin cua cac orbitan nguyen tir" (Orthogonahzed Linear Combination of Atomic Orbitals - OLCAO). Tren co sd md hinh nay tit ca nhiing net dac trung nhan dugc trong thuc nghiem lien quan den chuyin pha BDKL trong dxyt vanadi da dugc giai thich mdt each tudng minh. Mdt trong cac dac tinh quan trgng nhit dl phan biet pha ban din vdi kim loai ciia VO2 la ciu tnic dien tir ciia cac lien ket. Md hinh OLCAO cho phep giai thfch ban chit kim loai ciia VO2 trong pha tii giac chfnh la do cac orbitan Vd va Op - nhiing orbitan chii yeu dugc tao ra tren ham sdng electron cua ciu tnic tinh thi - da chdng Idn nhau khi cd nhiet do tac đng. Trong pha don ta (dudi NDCP), ldp phu cdn qua nhd, cho nen vting nang lugng gan mdc Fecmi bi tach ra, tao ra vimg cim, dac tnmg cho tinh chat dien va quang cua chit ban din. Trong thuc nghiem dilu nay dugc quan sat thiy tren phd ham sd dien mdi quang hgc (e, va S2) xuit hien cac dinh rit rd rang tai cac gia tri nang lugng photon tuong ung vdi do rdng viing cam quang (Eg). Nhu vay khi nghien ciin tinh chit quang, cac tac gia da phan biet dugc tinh chat ban din va kim loai ciia VO2 thdng qua khao sat cau tnic dien tir lidn kei ciia tinh thi tinh toan bing phuong phap OLCAỌ
IIỊ M C T S 6 L I N H VUC tlNG DUNG
Tit ca nhung dng dung cua mang mdng dxyt vanadi trong trong cac ITnh vuc nhu: tu đng hoa va dilu khiln, vi didn tir, quang - dien tir hgc [16] va cam bien nhay Idif [12,13] diu dua tren cd sd tinh chit vat ly ciia chung dugc ndi d tren.
• Tu dong hod vd dieu khien. Mang mdng VO2 dugc sir dung trong viec che
tao may dilu nhiet, thidt bi chdng lai su qua tai nhiet, qua dien ap, dieu khien