Oxyde de vanadium (IV) - Vanadium(IV) oxide

Oxyde de vanadium (IV)
VO2 crystal.jpg
Noms
Nom IUPAC
Oxyde de vanadium (IV)
Autres noms
Dioxyde de
vanadium tétroxyde de divanadium
Identifiants
Modèle 3D ( JSmol )
Carte Info ECHA 100.031.661 Modifiez ceci sur Wikidata
Propriétés
VO 2
Masse molaire 82,94 g / mol
Apparence Poudre bleu-noir
Densité 4,571 g / cm 3 (monoclinique)
4,653 g / cm 3 (tétragonale)
Point de fusion 1 967 ° C
+ 99,0 · 10 −6 cm 3 / mol
Structure
Distordue rutile (<70 ° C, monoclinique)
Rutile (> 70 ° C, tétragonale)
Dangers
Principaux dangers toxique
Phrases R (obsolètes) 36/37/38
Phrases S (obsolètes) 26-36 / 37/39
NFPA 704 (diamant de feu)
point de rupture Ininflammable
Composés apparentés
Autres anions
Vanadium disulfure
Vanadium diséléniure
Vanadium ditelluride
Autres cations
Oxyde de niobium (IV) Oxyde de
tantale (IV)
Oxyde de vanadium (II) Oxyde de
vanadium (III) Oxyde de
vanadium (V)
Sauf indication contraire, les données sont données pour les matériaux dans leur état standard (à 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
vérifier Oui   vérifier  ( qu'est-ce que c'est    ?) vérifier Oui ☒ N
Références Infobox

L'oxyde de vanadium (IV) ou dioxyde de vanadium est un composé inorganique de formule VO 2 . C'est un solide bleu foncé. Le dioxyde de vanadium (IV) est amphotère , se dissolvant dans des acides non oxydants pour donner l' ion vanadyle bleu , [VO] 2+ et dans un alcali pour donner l' ion brun [V 4 O 9 ] 2− , ou à pH élevé [VO 4 ] 4− . VO 2 a une transition de phase très proche de la température ambiante (~ 66 ° C). La résistivité électrique, l'opacité, etc. peuvent changer plusieurs ordres. En raison de ces propriétés, il a été utilisé dans le revêtement de surface, les capteurs et l'imagerie. Les applications potentielles comprennent l'utilisation dans les dispositifs de mémoire, les commutateurs à changement de phase, les systèmes de communication aérospatiale et le calcul neuromorphique .

Propriétés

Structure

VO
2 structure. Les atomes de vanadium sont violets et les atomes d'oxygène sont roses. Les dimères V – V sont mis en évidence par des lignes violettes en (a). Les distances entre les atomes de vanadium adjacents sont égales en (b).

À des températures inférieures à T c = 340 K (67 ° C), VO
2 a une structure cristalline monoclinique ( groupe spatial P2 1 / c). Au dessus de T c , la structure est tétragonale , comme le rutile TiO
2 . Dans la phase monoclinique, les ions V 4+ forment des paires le long de l'axe c, conduisant à des distances VV courtes et longues alternées de 2,65 Å et 3,12 Å. En comparaison, dans la phase rutile, les ions V 4+ sont séparés d'une distance fixe de 2,96 Â. En conséquence, le nombre d' ions V 4+ dans la cellule unitaire cristallographique double du rutile à la phase monoclinique.

La morphologie à l'équilibre du rutile VO
2 les particules sont aciculaires, confinées latéralement par des surfaces (110), qui sont les plans de terminaison les plus stables. La surface a tendance à être oxydée par rapport à la composition stoechiométrique, l'oxygène étant adsorbé sur la surface (110) formant des espèces vanadyle. La présence d' ions V 5+ à la surface de VO
2 films a été confirmée par spectroscopie photoélectronique à rayons X .

Électronique

À la température de transition rutile à monoclinique (67 ° C), VO
2 présente également une transition métal à semi-conducteur dans sa structure électronique: la phase rutile est métallique tandis que la phase monoclinique est semi-conductrice. La bande interdite optique de VO 2 dans la phase monoclinique à basse température est d'environ 0,7 eV.

Thermique

Le VO métallique 2 contredit la loi de Wiedemann – Franz qui soutient que le rapport de la contribution électronique de la conductivité thermique ( κ ) à la conductivité électrique ( σ ) d'un métal est proportionnel à la température . La conductivité thermique qui pouvait être attribuée au mouvement des électrons était de 10% de la valeur prédite par la loi de Wiedemann – Franz. La raison en est la manière fluidique dont les électrons se déplacent à travers le matériau, réduisant le mouvement d'électrons aléatoire typique. Conductivité thermique ~ 0,2 W / m⋅K, conductivité électrique ~ 8,0 × 10 ^ 5 S / m.

Les applications potentielles incluent la conversion de la chaleur perdue des moteurs et des appareils en électricité, ou les couvre-fenêtres qui gardent les bâtiments au frais. La conductivité thermique variait lorsque le VO 2 était mélangé avec d'autres matériaux. À basse température, il pourrait agir comme un isolant, tout en conduisant la chaleur à une température plus élevée.

Synthèse et structure

Nanostars d'oxyde de vanadium (IV)

En suivant la méthode décrite par Berzelius , VO
2 est préparé par comproportionation d' oxyde de vanadium (III) et d' oxyde de vanadium (V) :

V
2 O
5 + V
2 O
3 → 4 VO
2

A température ambiante, VO 2 a une structure rutile déformée avec des distances plus courtes entre les paires d'atomes V indiquant une liaison métal-métal. Au-dessus de 68 ° C, la structure se transforme en une structure rutile non déformée et les liaisons métal-métal sont rompues, provoquant une augmentation de la conductivité électrique et de la susceptibilité magnétique lorsque les électrons de liaison sont «libérés». L'origine de cet isolant à transition métallique reste controversée et présente un intérêt tant pour la physique de la matière condensée que pour les applications pratiques, telles que les interrupteurs électriques, les filtres électriques accordables, les limiteurs de puissance, les nano-oscillateurs, les memristors , les transistors à effet de champ et les métamatériaux .

Réflexion infrarouge

Spectres de transmission d'un VO
2 / SiO
2 film. Un léger chauffage entraîne une absorption significative de la lumière infrarouge

VO
2 exprime des propriétés réfléchissantes dépendant de la température. Lorsqu'il est chauffé de la température ambiante à 80 ° C, le rayonnement thermique du matériau monte normalement jusqu'à 74 ° C, avant de paraître soudainement chuter à environ 20 ° C. À température ambiante VO
2 est presque transparent à la lumière infrarouge. À mesure que sa température augmente, il devient progressivement réfléchissant. À des températures intermédiaires, il se comporte comme un diélectrique hautement absorbant.

Un film mince d'oxyde de vanadium sur un substrat hautement réfléchissant (pour des longueurs d'onde infrarouges spécifiques) tel que le saphir est soit absorbant, soit réfléchissant, en fonction de la température. Son émissivité varie considérablement avec la température. Lorsque l'oxyde de vanadium passe avec une température accrue, la structure subit une diminution soudaine de l'émissivité - semblant plus froide aux caméras infrarouges qu'elle ne l'est en réalité.

Faire varier les matériaux du substrat, par exemple en oxyde d'indium et d'étain, et modifier le revêtement d'oxyde de vanadium en utilisant des procédés de dopage, de contrainte et autres, modifie les longueurs d'onde et les plages de température auxquelles les effets thermiques sont observés.

Les structures nanométriques qui apparaissent naturellement dans la région de transition des matériaux peuvent supprimer le rayonnement thermique lorsque la température augmente. Le dopage du revêtement avec du tungstène abaisse la plage thermique de l'effet à la température ambiante.

Les usages

Gestion du rayonnement infrarouge

Les films de dioxyde de vanadium non dopés et dopés au tungstène peuvent agir comme des revêtements "spectralement sélectifs" pour bloquer la transmission infrarouge et réduire la perte de chaleur intérieure du bâtiment à travers les fenêtres. La variation de la quantité de tungstène permet de réguler la température de transition de phase à un taux de 20 ° C pour 1% atomique de tungstène. Le revêtement a une légère couleur jaune-vert.

D'autres applications potentielles de ses propriétés thermiques comprennent le camouflage passif, les balises thermiques, la communication ou pour accélérer ou ralentir délibérément le refroidissement (ce qui pourrait être utile dans diverses structures, des maisons aux satellites).

Le dioxyde Vanadium peut agir comme extrêmement rapide des modulateurs optiques , infrarouges modulateurs pour guidage des missiles systèmes, caméras, stockage de données et d' autres applications. La transition de phase thermochromique entre la phase conductrice transparente semi-conductrice et réfléchissante, se produisant à 68 ° C, peut se produire dans des temps aussi courts que 100 femtosecondes.

Calcul et mémoire à changement de phase

La transition de phase isolant-métal dans VO 2 peut être manipulée à l'échelle nanométrique à l'aide d'une pointe de microscope à force atomique conductrice polarisée, suggérant des applications dans l'informatique et le stockage d'informations.

Voir également

Références

Sources citées