氧化钒材料及其在红外探测应用的研究.
红外探测器材料
无线红外幕帘探测器红外火焰探测器光电传感器光子型碲镉汞红外探测组件无线红外烟雾探测器光导探测器产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光。
HgCdTe 探测器是光子探测器碲镉汞红外探测器材料碲镉汞红外探测器的特点n-on-p型与p-on-n型HgCdTe红外探测器碲镉汞红外探测器的应用碲镉汞中外探测器材料学院碲镉汞红外探测器材料碲镉汞红外探测器的特点n-on-p与p-on-n模式HgCdTe红外探测器碲镉汞红外探测器的应用碲镉汞红外探测器材料碲镉汞红外探测器的特点n-on-p与p-on-n模式HgCdTe红外探测器碲镉汞红外探测器的优缺点及应用层空间宇宙探测等。
碲镉汞红外焦平面探测器可探测的中红外光波波段为2.0 -5.4微米160kHz内置热电冷却器提高灵敏度毫米的热电冷却探测元件非制冷型红外探测器材料——氧化钒氧化钒的晶体结构和相变特性氧化钒薄膜的制备及掺杂原理与工艺氧化钒薄膜的优势及应用材料学院薄膜的折射率在相变点处也呈突变现象。
相变特性三：电阻突变性质•VO 2薄膜在相变前后的电阻将发生突变现象，通常变化幅度约为2-3个数量级，有时可以达到5个数量级。
•相变同样存在温度滞后现象•影响相变的因素：1.掺杂：能较大的改变薄膜的电阻及影响薄膜的相变温度2.衬底材料：非晶态衬底上制备得到的VO 2薄膜的电阻突变幅度最高约2-3个数量级，如玻璃、釉质等；而在蓝宝石衬底上制备得到的薄膜电阻突变幅度可以达到5个数量级。
对于衬底表面进行处理（抛光、刻蚀等）也会产生影响材料学院由于晶系结构的变化, 二氧化钒的光电性能发生了很大的变化, 而非制冷型红外探测器材料——氧化钒氧化钒的晶体结构和性质氧化钒薄膜的制备及掺杂原理与工艺氧化钒薄膜的优势及应用2.1.3 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)有机溶胶-凝胶法：采用钒的醇盐与适当的溶剂和水，按比例混合后，搅拌2.2氧化钒薄膜的掺杂降低，当掺钨量为2.1at.%时，薄膜的相变温度为14℃。
新型光电子材料氧化钒
光学带隙
光学带隙决定了材料的光 吸收性能，进而影响其光 学性质。
光致变色效应
氧化钒具有光致变色效应 ，能够在光照条件下改变 颜色。制备方法及其优缺点比较
固相法
气相法
通过高温固相反应制备氧化钒，优点 是工艺简单、产量大，但纯度较低、 颗粒尺寸较大。
通过气相沉积法制备氧化钒薄膜，可 以得到高质量的薄膜材料，但需要昂 贵的设备和技术支持。
利用氧化钒作为催化剂，在可见光照射下，可有 效降解污水中的有机污染物，提高水质。
空气净化
氧化钒作为催化剂，可光催化降解空气中的有害 气体和挥发性有机物，净化空气。
光解水制氢
以氧化钒为催化剂，利用太阳能光解水产生氢气 ，实现可再生能源的转化和利用。
05
氧化钒在其他领域应用前景展 望
锂离子电池负极材料
晶体结构类型
氧化钒具有多种晶体结构 ，如VO2(M)、VO2(B)、 VO2(R)等。
晶格常数
不同晶体结构的氧化钒具 有不同的晶格常数，影响 其物理性质。
原子排列
原子在晶体中的排列方式 对材料的性能有重要影响 ，如电导率、热导率等。
电子能带结构与光学性质
能带结构
氧化钒具有独特的能带结 构，使得其在不同温度下 表现出不同的电学性质。
高容量
01
氧化钒作为锂离子电池负极材料，具有较高的理论容量，有望
提高电池的储能密度。
良好的循环稳定性
02
氧化钒负极材料在充放电过程中结构稳定，能够保证电池的循
环寿命。
较低的成本
03
氧化钒资源丰富，制备工艺相对简单，有望降低锂离子电池的
生产成本。
传感器技术
1 2
气敏传感器
氧化钒的气敏性能使其能够用于检测有毒有害气 体，如二氧化碳、一氧化碳等，保障人们的生命 安全。
氧化钒薄膜材料及非制冷红外探测器微结构设计的研究
氧化钒薄膜材料及非制冷红外探测器微结构设计的研究1. 引言1.1 概述氧化钒薄膜材料及非制冷红外探测器微结构设计是当前光电领域中的研究热点之一。
红外技术具有在暗夜或复杂环境下实现目标探测和成像的能力，因此被广泛应用于军事安防、火灾监测、医学诊断等领域。
然而，传统的制冷红外探测器由于高成本、大尺寸以及复杂维护等问题限制了其在民用领域的普及。
非制冷红外探测器作为一种新型的探测技术，具有体积小、重量轻、无需制冷等优点，在红外领域有着广阔的应用前景。
1.2 研究背景在非制冷红外探测器中，氧化钒薄膜材料作为一种重要的敏感元件已经引起了广泛关注。
氧化钒薄膜具有良好的热电特性和纵横触发效应，可将红外辐射转化为电信号，并显示出快速响应、高灵敏度的特点。
然而，氧化钒薄膜在实际应用中面临着一些挑战，如制备工艺复杂、稳定性差等问题，因此对其进行深入研究和优化设计具有重要意义。
1.3 研究意义本文旨在探索氧化钒薄膜材料以及非制冷红外探测器微结构设计的相关研究，并揭示其在红外技术领域中的应用潜力和发展方向。
通过对氧化钒薄膜材料制备方法和物理性质的分析，可以为制备工艺的改进提供依据，并为其应用领域提供更广阔的空间。
同时，通过对非制冷红外探测器微结构要素及其优化设计进行研究，可以提高非制冷红外探测器的灵敏度和响应速度。
将氧化钒薄膜与非制冷红外探测器相结合，则可实现更高性能的红外成像系统。
我们希望本文能够为相关领域的研究人员提供有益参考，并促进氧化钒薄膜材料和非制冷红外探测器微结构设计技术的进一步发展。
2. 氧化钒薄膜材料研究2.1 氧化钒薄膜的制备方法氧化钒薄膜是一种重要的功能材料，在红外光电子器件中具有广泛的应用。
为了制备高质量的氧化钒薄膜，研究人员尝试了多种不同的制备方法。
一种常用的制备氧化钒薄膜的方法是物理气相沉积（PVD）。
在这个过程中，首先需要将高纯度的金属钒加热至其沸点，形成金属蒸汽。
然后，将基底材料放置在反应室中，并通过调节反应室内部的温度和压力来控制金属钒与基底之间的相互作用。
国内外红外隐身材料研究进展
国内外红外隐身材料研究进展叶圣天;刘朝辉;成声月;班国东【摘要】从红外探测系统的探测方法和Stefan-Boltzmann定律两个方面分析红外隐身材料的隐身原理,得出红外隐身的主要措施有降低目标表面红外发射率和控制目标表面温度.综述了低发射率涂层材料、控温涂层材料、智能隐身材料和生物仿生隐身材料等四种红外隐身材料近几年的国内外研究现状.指出了目前红外隐身材料研究存在的问题,在此基础上,展望了红外隐身材料未来的发展方向.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2015(045)011【总页数】7页(P1285-1291)【关键词】红外隐身;低发射率;控温涂层;智能隐身材料;生物仿生隐身材料【作者】叶圣天;刘朝辉;成声月;班国东【作者单位】后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311【正文语种】中文【中图分类】TN211 引言随着红外探测系统的快速发展和探测精度的提高，军事装备、设施的安全和生存受到了严重威胁，尤其是战斗机、坦克和舰船等具有大功率发动机的移动目标，运动时会产生高温，导致军事目标的红外辐射量大幅度增加，与背景形成强烈的辐射反差，增加了被发现的概率。
红外隐身材料，能够通过涂覆在目标表面等方式弱化目标的红外辐射特征信号，有效降低目标被发现和识别的概率，提高目标的战场生存能力。
因此，红外隐身材料受到世界各军事强国的关注，并投入大量的人力、物力、财力进行研究。
2 红外隐身材料隐身原理2.1 红外探测系统探测方法一切高于绝对零度的物体都能发出红外辐射，红外辐射的光子能量能够使一些活泼金属产生红外光电效应。
红外探测系统的原理就是通过上述红外光电效应把红外辐射特征信号转化为电信号。
红外探测的方法有两种:一是点源探测，与红外探测系统能探测目标的最大距离有关［1］:式中，J为目标红外辐射强度;τa为大气透过率;D0为红外探测系统中光学系统的接收孔径;NA为光学系统的数值孔径;τ0为光学系统的红外透过率;D*为红外探测系统的探测率;ω为瞬时视场;Δf为系统带宽;Vs为信号电平;Vn为噪声电平。
红外热像仪在风能发电行业中的应用 热像仪常见问题解决方法
红外热像仪在风能发电行业中的应用热像仪常见问题解决方法红外热像仪在风电设备制造及风力发电站中的应用特别之广泛。
由于红外热像仪测温的非接触性，在模具制造和风机叶片制造过程中，工程师可对察看物体的热模型进行量化和可视化。
同理，红外图像为有效测量物体的温度及相对温度分布供应了便捷的途径。
以及在输变电线路中，通过使用红外热像仪可以检测出常常会显现的套管过热，过载，三相负载不平衡等隐患。
如何选购红外热像仪的技巧1、测温范围和被测物：依据被测物体的温度范围确定测温范围，来选择合适温度段的红外热像仪。
目前市场上的红外热像仪大多会分成几个温度档，比如—402、红外热像仪—像素的选择：首先要确定购买红外热像仪的像素级别，大多红外热像仪的级别和像素有关。
民用红外热像仪中相对高端的产品像素为640*480=307,200，此高端红外热像仪拍摄的红外图片清楚细腻，在3、温度辨别率：温度辨别率体现了一台红外热像仪的温度敏感性，温度辨别率越小红外热像仪对温度的变化感知越明显，选择时尽量选择此参数值小的产品。
红外热像仪测试被测物的紧要目的是通过温度差异找出温度故障点，测量单个点的温度值并没有太大意义，紧要是通过温度差异来找相对的热点，起到预维护的作用。
4、空间辨别率：简单来说空间辨别率越小测温越精准，空间辨别率较小时，被测最小目标覆盖了红外热像仪的像素，测试的温度即被测目标的温度。
假如空间辨别率较高，被测的最小目标不能完全覆盖红外热像仪的像素，测试目标就会受到其环境辐射的影响，测试温度是被测目标及其四周温度的平均温度，数值不够精准。
5、红外与可见光图像的组合功能：假如红外图像和可见光图像组合显示就削减了大量工作，可依据可见光图片来判定红外图片中热点的未知，同时报告自动生成也会大大削减操作时间。
6、温度稳定性：红外热像仪的核心部件为红外探测器，目前紧要有两种探测器氧化钒晶体和多晶硅探测器，氧化钒探测器紧要的优势是测温视域MFOV（MeasurementFieldofView）为1,温度测量是精准明确到1个像素点。
氧化钒热致变色薄膜的研究进展
第32卷 第6期 激光与红外Vol.32,No.6 2002年12月 LASER & INFRARED December,2002 文章编号:100125078(2002)0620374204氧化钒热致变色薄膜的研究进展潘 梅,陆 卫(中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083)摘 要:介绍了氧化钒热致变色薄膜的研究进展,对其制备、特性、理论研究和应用技术作了简要的介绍和分析。
关键词:VO2薄膜;金属2半导体相变;微测辐射热计;非制冷红外焦平面中图分类号:V254.2;TH14511 文献标识码:AR eview of V O2Films as Thermochromic MaterialsPAN Mei,L U Wei(National Laboratory for Infrared Physics,Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai200083,China)Abstract:The article introduces the development of VO2films in recent years,focusing on the preparation,character2istics,theory study and applications.K ey w ords:VO2films;metal-semiconductor phase transition;uncooled microbolometer;IR focal plane array1 前 言VO2是一种具有金属2半导体相变的过渡金属氧化物。
伴随着相变,VO2会出现光学、电学和磁学性质的一些突跃,人们习惯上将上述性质随温度变化的现象统称为热致变色[1]。
随着薄膜技术的发展,人们开始利用各种方法制备VO2薄膜。
以高灵敏为特征的氧化钒非致冷红外探测器的应用
以高灵敏为特征的氧化钒非致冷红外探测器的应用氧化钒非致冷红外探测器属于第三代红外探测器，它广泛应用于工业、农业、国防、医疗、交通等诸多领域，具有体积小、质量轻、功耗低、非致冷的优势，研究学者在多年来都致力于提升该非致冷红外探测器的灵敏度，并通过制备高电阻温度系数的氧化钒薄膜、掺氮氧化钒薄膜和黑金吸收层，提高非致冷红外探测器的性能。
文章从氧化钒非致冷红外探测器的工作原理、构造、材料制备、器件性能和测试等方面进行探讨，并论述其发展前景。
标签：氧化钒；非致冷；红外探测器；高灵敏；器件1 微机电系统和非致冷红外探测器概述微机电系统主要是依据微机电和电化学方法而实现的，其核心元件包括：传感单元和信号传输单元，由这些核心元件制成的传感器可以传感一些生物、化学、物理的参量存在和强度，具有灵敏、准确地测量最小样品量的优点，它们成批地应用于工业领域，常用的传感器有：光传感器、生物传感器、化学传感器、压力传感器，而文章研究的是基于微机电系统中微加工技术的非致冷红外传感器。
非致冷红外探测器广泛应用于军事和商务领域，成为了一种高需求技术，它通过微测辐射热实现传感功能，吸收红外能量大小有关的器件温度变化而引起的电参数的变化实现探测，由于它不是红外直接探测，因而在具有更小的尺寸、更低的功耗的优势之下，还有更长的响应延续时间，非致冷红外探测器的高性能和低功耗优势，使其在市场研发上达到很高的阵列：50um×50um和25um×25um像元尺寸，噪声等效温差可以低于30mK。
伴随着非致冷技术的发展，许多致冷型探测器的红外成像系统也开始运用非致冷探测器阵列，在更高性能的红外成像平台上发挥作用。
2 非致冷红外探测器的理论基础2.1 微测辐射热计理论微测辐射热计是电阻性光敏元，当它接收到红外辐射时，光敏材料的温度增高，电阻即发生变化，电路就可以探测到相应电阻变化引起的微弱电流变化，实现探测。
其探测器的像元膜可以选择不同的氮化硅、二氧化硅和氧化钒热敏电阻材料，以氧化钒热敏电阻材料为例：假设微测辐射热计光敏材料的温度在吸收红外辐射后变化值为△T，氧化钒薄膜电阻变化值为△R，它们之间的关系式表达为：△R=R△T。
分子束外延技术在红外探测领域的应用
分子束外延技术在红外探测领域的应用摘要：对于现代化战争而言，红外技术由于具有安全隐蔽、不易受干扰和保密性强等优点，已经成为不可缺少的关键技术。
红外探测材料的发展决定了红外技术的发展水平，实现高性能和低成本的红外探测器技术，既是红外技术自身发展的必然也是一个国家现代化军事和国民经济发展的需求。
分子束外延技术是一种在超高真空条件下的薄膜生长技术，在高温超导薄膜的研究、多元化合物半导体薄膜的生长等领域应用广泛[1]，由于其生长的材料精准可控，生长环境清洁等优点，是红外探测材料生长的重要渠道。
关键词：分子束外延；红外探测材料；VO21分子束外延技术1.1分子束外延生长原理与优点分子束外延是二十世纪60年代末70年代初由Bell实验室的Arthur和A.Y.Cho等人发展起来的超高真空条件下的外延生长技术。
经典分子束外延设备由生长室、样品传输杆、蒸发源和检测生长的反射式高能粒子衍射仪组成，将所需要的材料放入蒸发源中，通过蒸发源控制器控温加热，使所需要的元素以分子或者原子的方式蒸发到保持在一定温度的衬底上，分子或者原子在衬底表面吸附和转移，以形成所需的高精度薄膜材料。
延生长相对于其他生长方式有一定的优点，第一能控制生长薄膜的层数，制备原子级别的单晶层，并创造出自然界中不存在的结构；第二能精准控制束流和衬底条件，从而得到理想的薄膜材料；第三能生长出高质量的薄膜材料，由于其生长的坏境为高真空，并可以在低温下生长，这就避免了不必要的杂质，从而提高生长薄膜材料的质量；第四能监测薄膜材料的生长和动力学生长过程，从而调整和预测薄膜材料的质量，这需要通过安装高能粒子衍射仪（RHEED）来实现。
1.2薄膜材料的生长模式薄膜材料的生长是一个受到很多因素影响的过程，主要因素有两个，一是动力学因素，主要是指原子由蒸发源蒸镀到衬底上的特定条件，比如生长的速度、各原子的比例、衬底的具体结构和温度等；二是热力学因素，它主要是指降低生长过程中薄膜系统能量的一些因素，比如薄膜与衬底的晶格失配和各原子之间的相互作用等。
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图2
VO2的结构与特性
VO2薄膜在 68℃发生相变，伴随着这个相变， 它从四角金红石(P42/mnm)变化到单斜对称的畸变 的金红石结构(P21/c)。图 3 给出二氧化钒的高温 相和低温相结构。在四角结构中，V4+离子占据 bcc体心位置，沿着c轴V—V原子距离相等，较大 的O2-离子绕着V4+排在八面体形成一个密排的六 方。在单斜结构中，处在体角V4+沿金红石的c轴 位移，以更近的间隙形成V4+对，V—V距离交替 为大值和小值，V—V对稍微偏斜于单斜的a轴，这 使得单斜的尺寸变为两倍，导致各向异性的 1％体 积变化。氧化钒的相变通常与结构相变相联系，二 氧化钒在发生相变后，从四方晶系变为单斜晶系， 由金属键变为V—V共价键，由顺电态变为反铁电 态，导致材料物理性质有较大改变。
一个畸变四方棱锥体，钒原子与五个氧原子
形成个钒—氧键，按钒—氧键之间的结合方
式和O（3）。每一个钒原子有
一个单独的末端氧原子O（1），其键长为
154pm，相当于一个V=O双键；一个氧原子
O（3）与两个钒原子以桥式连接，其键长
为 177pm，其余三个氧原子O（2）的情况
氧化钒晶体的结构与特性
一般来说，材料的特性决定于其化学组成和结构， 对于氧化钒这种复杂的体系，首先需要分别对主要的几 种氧化物形态进行介绍。下面将分别介绍V2O5、VO2 、V2O3的结构与特性。
V2O5的结构与特性
V2O5晶体具有层状结构，如图 1 所示
[2]。在这种结构中，钒所处的环境被视为是
此外，氧化钒系化合物在其他领域的应用研究也很活跃，例如作为变 色材料，空间光调制器，光存储器，光信息处理器等。
2020/3/4
金属钒
钒是一种单晶金属，呈银灰色，具有体心立方结构。 纯钒是典型的塑性金属，具有延展性，能被加工成箔。 常温下致密的纯钒是稳定的，在潮湿的空气中仍然能够保持状态不会 变化。当温度高于675℃时，在氧氛围中钒会燃烧。 赤热的钒在流动的水蒸气作用下迅速氧化，并产生氢气。在静态的蒸 汽中发生氧化的同时，通过吸收氢气，生成氢化物。钒在300℃～ 400℃时也会强烈地吸收氢气，生成氢化物。
氧化钒
钒是一种过渡金属元素，活化能比较高，在空气中 金属钒可以和氧结合形成多种价态的氧化物[1]。钒的 价态可以从+2价到+5价之间变化，已经发现的钒的氧 化物有十多种。其中，VO、VO2、V2O3和V2O5都是 最常见也是最重要的几种氧化物。由于多种氧化物各自 都具有优异的物理或化学性能，所以已被广泛地应用于 光开关器件、可擦写存储器、薄膜电池、化学催化剂、 热红外探测器等诸多领域。
若从另一层中引入第六个氧原子、距离为 280pm，使各层连接起来，这 样最终便构成了一个V2O5晶体。这种由六个氧原子所包围的钒原子是一个高度 畸变了的八面体，当由这个八面体移去第六个氧原子时，就得到畸变的四方棱 锥体的构型。对V2O5单晶的研究表明，它是一个缺氧半导体，是一种含有以V4+ 离子形式出现的点缺陷晶体。
是其中每一个以桥式氧与三个钒原子连接，
其键长分别为 188pm（两个），202pm
图1
（一个）。
V2O5的结构与特性
因此，其配位作用可以表示为V -O（1）-O（3）1/2-O（2）1/3，V2O5 的结构最易想象为VO4四面体单元通过氧桥结合为链状。两条这样的链彼此 以第五个氧原子通过另一氧桥连接成一条复链，从而构成起皱的层状排列。
氧化钒材料及其在红外探测应用的研究
2020/3/4
摘要
红外探测器的发展方向是非制冷、低成本、小 型化。具有优异热敏性能的氧化钒薄膜材料是非制 冷红外探测器的首选热敏电阻材料。合适的薄膜电 阻值且具有大的电阻温度系数（TCR）的氧化钒薄 膜是实现高探测率的基础。本文对氧化钒的结构、 相变原理及其在红外探测上的应用进行研究。
2020/3/4
国内外研究现状
国外：
美国Honeywell公司利用VO2为敏感红外线的薄膜材料，研制了 320×240元室温工作的非制冷红外焦平面传感器，在20世纪90年代中期已 经面市，被美国称为第三代红外传感器，开辟了红外技术在民用市场上的应 用，目前每年以60%的市场增长率迅猛发展。加拿大国家光学研究院利用 VO2和V2O5的半导体—金属态可逆转变，研制室温和高温应用的相变型光 开关，美国纽约州先进传感技术和美国洛克威尔国际科学中心利用VO2和 V2O3的金属—绝缘体在强激光作用下可逆转变，研制高速抗强激光防护材 料，在10.6um激光作用下，消光比达到20dB。
V2O5的结构与特性
V2O5在 257℃左右能发生从半导体相到金属相的转变。薄膜 态的V2O5通常是缺氧的n型半导体金属氧化物。当V2O5晶体处于 半导体相时，禁带宽度为 2.24eV，且具有负的电阻温度系数。 V2O5多晶薄膜在室温附近电阻率一般大于 100Ω•cm，甚至达到 1000Ω•cm，这取决于薄膜的制备条件，并且V2O5多晶薄膜在可见 光和近红外区域(波长小于 2μm)比VO2透过率要高。在相变前后 V2O5薄膜的电阻率可以发生几个数量级的变化，同时伴随光学特 性的显著变化。
VO2的结构与特性
1958 年，科学家Morin在贝尔实验室 发现了钒和钛的氧化物具有半导体—金属 相变特性。其中以VO2材料相变接近室温 最为引人注目。图 2 为沿[011]方向堆VO2 的晶体结构[3]。
在VO2的结构中，由距离不同的V-O 键构成一个VO6单元。钒原子明显地与一 个氧原子较为接近，而与其它氧原子的距 离较远，因此具有一个接近于V=O的键。
国内外研究现状
国内：
20世纪90年代起，兰州物理研究所报道过VO2材料的制备方法研究，并 利用它们作为热致变色薄膜材料。电子科技大学和重庆光电研究所合作报 道了它们制备VO2膜的研究，主要用途为制作室温工作的红外传感器。华中 科技大学光电国家实验室九五期间在国家科技部和863计划支持下国内研制 了一系列钒的氧化物膜系，其中利用VO2 薄膜材料研制了室温工作的红外 传感器，达到下列技术指标：阵列规模：128 元线列；单元尺寸：50 ×50 英寸；工作温度：室温；电阻温度系数(TCR):2%；噪声等效温差(NETD)： 200 /mk。