El óxido de vanadio (IV) o dióxido de vanadio es un compuesto inorgánico de fórmula VO 2 . Es un sólido azul oscuro. El dióxido de vanadio (IV) es anfótero y se disuelve en ácidos no oxidantes para dar el ión vanadilo azul , [VO] 2+ y en álcali para dar el ión marrón [V 4 O 9 ] 2− , oa pH alto [VO 4 ] 4− . [3] VO 2tiene una transición de fase muy cercana a la temperatura ambiente (~ 66 ° C). La resistividad eléctrica, la opacidad, etc. pueden cambiar varios órdenes. Debido a estas propiedades, se ha utilizado en recubrimientos de superficies, [4] sensores, [5] y formación de imágenes. [6] Las aplicaciones potenciales incluyen el uso en dispositivos de memoria, [7] [8] interruptores de cambio de fase, [9] sistemas de comunicación aeroespacial y computación neuromórfica . [10]
Nombres | |
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Nombre IUPAC Óxido de vanadio (IV) | |
Otros nombres Dióxido de vanadio Tetróxido de divanadio | |
Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
Tarjeta de información ECHA | 100.031.661 |
PubChem CID | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
VO 2 | |
Masa molar | 82,94 g / mol |
Apariencia | Polvo azul-negro |
Densidad | 4.571 g / cm 3 (monoclínico) 4.653 g / cm 3 (tetragonal) |
Punto de fusion | 1.967 ° C [1] |
+ 99,0 · 10 −6 cm 3 / mol [2] | |
Estructura | |
Distorted rutilo (<70 ° C, monoclínico) Rutilo (> 70 ° C, tetragonal) | |
Peligros | |
Principales peligros | tóxico |
Frases R (desactualizadas) | 36/37/38 |
Frases S (desactualizadas) | 26-36 / 37/39 |
NFPA 704 (diamante de fuego) | |
punto de inflamabilidad | No es inflamable |
Compuestos relacionados | |
Otros aniones | Vanadio disulfuro de vanadio diseleniuro de vanadio ditelluride |
Otros cationes | Óxido de niobio (IV) Óxido de tantalio (IV) |
Óxidos de vanadio relacionados | Óxido de vanadio (II) Óxido de vanadio (III) Óxido de vanadio (V) |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
Propiedades
Estructura
A temperaturas por debajo de T c = 340 K (67 ° C), VO
2tiene una estructura cristalina monoclínica ( grupo espacial P2 1 / c). Por encima de T c , la estructura es tetragonal , como el rutilo TiO
2. En la fase monoclínica, los iones V 4+ forman pares a lo largo del eje c, lo que lleva a distancias VV cortas y largas alternas de 2,65 Å y 3,12 Å. En comparación, en la fase de rutilo, los iones V 4+ están separados por una distancia fija de 2,96 Å. Como resultado, el número de iones V 4+ en la celda unitaria cristalográfica se duplica desde la fase rutilo a la monoclínica. [11]
La morfología de equilibrio del rutilo VO
2Las partículas son aciculares, confinadas lateralmente por superficies (110), que son los planos de terminación más estables. [12] La superficie tiende a oxidarse con respecto a la composición estequiométrica, con el oxígeno adsorbido en la superficie (110) formando especies de vanadilo. [12] La presencia de iones V 5+ en la superficie de VO
2películas ha sido confirmada por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X . [13]
Electrónico
En la temperatura de transición de rutilo a monoclínico (67 ° C), VO
2también exhibe una transición de metal a semiconductor en su estructura electrónica: la fase rutilo es metálica mientras que la fase monoclínica es semiconductora. [14] La banda prohibida óptica del VO 2 en la fase monoclínica de baja temperatura es de aproximadamente 0,7 eV. [15]
Térmico
El VO 2 metálico contradice la ley de Wiedemann-Franz que sostiene que la relación entre la contribución electrónica de la conductividad térmica ( κ ) y la conductividad eléctrica ( σ ) de un metal es proporcional a la temperatura . La conductividad térmica que podría atribuirse al movimiento de los electrones fue el 10% de la cantidad predicha por la ley de Wiedemann-Franz. La razón de esto parece ser la forma fluida en la que los electrones se mueven a través del material, reduciendo el típico movimiento aleatorio de electrones. [16] Conductividad térmica ~ 0,2 W / m⋅K, conductividad eléctrica ~ 8,0 × 10 ^ 5 S / m. [17]
Las aplicaciones potenciales incluyen convertir el calor residual de motores y electrodomésticos en electricidad, o cortinas para ventanas que mantienen frescos los edificios. La conductividad térmica varió cuando el VO 2 se mezcló con otros materiales. A baja temperatura podría actuar como aislante, mientras conduce calor a una temperatura más alta. [dieciséis]
Síntesis y estructura
Siguiendo el método descrito por Berzelius , VO
2se prepara mediante la conmutación de porciones de óxido de vanadio (III) y óxido de vanadio (V) : [18]
- V
2O
5+ V
2O
3→ 4 VO
2
A temperatura ambiente, el VO 2 tiene una estructura de rutilo distorsionada con distancias más cortas entre pares de átomos de V que indican la unión metal-metal. Por encima de 68 ° C, la estructura cambia a una estructura de rutilo no distorsionada y los enlaces metal-metal se rompen, lo que provoca un aumento de la conductividad eléctrica y la susceptibilidad magnética a medida que se "liberan" los electrones de enlace. [3] El origen de esta transición de aislante a metal sigue siendo controvertido y es de interés tanto para la física de la materia condensada [19] como para aplicaciones prácticas, como interruptores eléctricos, filtros eléctricos sintonizables, limitadores de potencia, nano-osciladores, [20] memristores , transistores de efecto de campo y metamateriales . [21] [22] [23]
Reflectancia infrarroja
VO
2expresa propiedades reflectantes dependientes de la temperatura. Cuando se calienta desde la temperatura ambiente a 80 ° C, la radiación térmica del material aumenta normalmente hasta 74 ° C, antes de parecer que cae repentinamente a alrededor de 20 ° C. A temperatura ambiente VO
2es casi transparente a la luz infrarroja. A medida que aumenta su temperatura, cambia gradualmente a reflectante. A temperaturas intermedias se comporta como un dieléctrico muy absorbente. [24] [25]
Una película delgada de óxido de vanadio sobre un sustrato altamente reflectante (para longitudes de onda infrarrojas específicas), como el zafiro, absorbe o refleja, dependiendo de la temperatura. Su emisividad varía considerablemente con la temperatura. Cuando el óxido de vanadio cambia con el aumento de temperatura, la estructura sufre una disminución repentina en la emisividad, luciendo más fría para las cámaras infrarrojas de lo que realmente es. [26] [24]
Variando los materiales del sustrato, por ejemplo, a óxido de indio y estaño, y modificando el revestimiento de óxido de vanadio usando dopaje, deformación y otros procesos, alteran las longitudes de onda y los rangos de temperatura a los que se observan los efectos térmicos. [24] [26]
Las estructuras a nanoescala que aparecen naturalmente en la región de transición de los materiales pueden suprimir la radiación térmica a medida que aumenta la temperatura. Dopar el recubrimiento con tungsteno reduce el rango térmico del efecto a temperatura ambiente. [24]
Usos
Gestión de la radiación infrarroja
Las películas de dióxido de vanadio dopadas con tungsteno y sin dopar pueden actuar como recubrimientos "espectralmente selectivos" para bloquear la transmisión infrarroja y reducir la pérdida de calor interior del edificio a través de las ventanas. [26] [27] [28] Variar la cantidad de tungsteno permite regular la temperatura de transición de fase a una tasa de 20 ° C por 1 por ciento atómico de tungsteno. [26] El revestimiento tiene un ligero color amarillo verdoso. [29]
Otras aplicaciones potenciales de sus propiedades térmicas incluyen camuflaje pasivo, balizas térmicas, comunicación o para acelerar o ralentizar deliberadamente el enfriamiento (lo que podría ser útil en una variedad de estructuras, desde hogares hasta satélites [24] ).
El dióxido de vanadio puede actuar como moduladores ópticos extremadamente rápidos , moduladores infrarrojos para sistemas de guía de misiles , cámaras, almacenamiento de datos y otras aplicaciones. La transición de fase termocrómica entre la fase conductora reflectante y semiconductora transparente, que ocurre a 68 ° C, puede ocurrir en tiempos tan cortos como 100 femtosegundos. [30]
Computación y memoria de cambio de fase
La transición de fase aislante-metal en VO 2 puede manipularse a nanoescala utilizando una punta de microscopio de fuerza atómica conductora polarizada, [31] sugiriendo aplicaciones en computación y almacenamiento de información. [8]
Ver también
- Batería redox de vanadio
Referencias
- ^ Haynes, pág. 4,98
- ^ Haynes, pág. 4.136
- ↑ a b Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1984). Química de los elementos . Oxford: Pergamon Press . págs. 1144–45. ISBN 978-0-08-022057-4.
- ^ Li, Yamei; Ji, Shidong; Gao, Yanfeng; Luo, Hongjie; Kanehira, Minoru (2 de abril de 2013). " Nanobarras core-shell VO 2 @TiO 2 que combinan propiedades termocrómicas y fotocatalíticas para su aplicación como recubrimientos inteligentes ahorradores de energía" . Informes científicos . 3 : 1370. Código Bibliográfico : 2013NatSR ... 3E1370L . doi : 10.1038 / srep01370 . PMC 3613806 . PMID 23546301 .
- ^ Hu, Bin; Ding, Yong; Chen, Wen; Kulkarni, Dhaval; Shen, Yue; Tsukruk, Vladimir V .; Wang, Zhong Lin (1 de diciembre de 2010). "Transición de fase aislante inducida por deformación externa en Nanobeam VO 2 y su aplicación como sensor de deformación flexible" . Materiales avanzados . 22 (45): 5134–5139. doi : 10.1002 / adma.201002868 . PMID 20842663 . S2CID 205238368 .
- ^ Gurvitch, M .; Luryi, S .; Polyakov, A .; Shabalov, A. (15 de noviembre de 2009). "Comportamiento no histéresis dentro del bucle de histéresis de VO 2 y su posible aplicación en imágenes infrarrojas" . Revista de Física Aplicada . 106 (10): 104504–104504–15. Código Bibliográfico : 2009JAP ... 106j4504G . doi : 10.1063 / 1.3243286 . S2CID 7107273 .
- ^ Xie, Rongguo; Bui, Cong Tinh; Varghese, Binni; Zhang, Qingxin; Siembre, Chorng Haur; Li, Baowen; Thong, John TL (10 de mayo de 2011). "Una memoria térmica de estado sólido ajustada eléctricamente basada en la transición metal-aislante de nanohaces VO 2 monocristalinos". Materiales funcionales avanzados . 21 (9): 1602–1607. doi : 10.1002 / adfm.201002436 .
- ^ a b Zhou, usted; Ramanathan, S. (1 de agosto de 2015). "Mott Memory and Neuromorphic Devices" . Actas del IEEE . 103 (8): 1289-1310. doi : 10.1109 / JPROC.2015.2431914 . S2CID 11347598 .
- ^ "Materiales de cambio de fase e interruptores para habilitar aplicaciones energéticamente eficientes más allá de CMOS" . Proyecto de cambio de fase . Consultado el 5 de mayo de 2018 .
- ^ Barraud, Emmanuel (5 de febrero de 2018). "Un material revolucionario para la computación aeroespacial y neuromórfica" . Noticias EPFL . Consultado el 5 de mayo de 2018 .
- ^ Morin, FJ (1959). "Óxidos que muestran una transición de metal a aislante a la temperatura de Neel". Cartas de revisión física . 3 (1): 34–36. Código Bibliográfico : 1959PhRvL ... 3 ... 34M . doi : 10.1103 / PhysRevLett.3.34 .
- ^ a b Mellan, Thomas A .; Grau-Crespo, Ricardo (2012). "Estudio de la teoría funcional de la densidad de superficies de rutilo VO 2 ". La Revista de Física Química . 137 (15): 154706. arXiv : 1209.6177 . Código bibliográfico : 2012JChPh.137o4706M . doi : 10.1063 / 1.4758319 . PMID 23083183 . S2CID 29006673 .
- ^ Manning, Troy D .; Parkin, Ivan P .; Pemble, Martyn E .; Sheel, David; Vernardou, Dimitra (2004). "Revestimientos de ventanas inteligentes: deposición de vapor químico a presión atmosférica de dióxido de vanadio dopado con tungsteno". Química de Materiales . 16 (4): 744–749. doi : 10.1021 / cm034905y .
- ^ Goodenough, John B. (1 de noviembre de 1971). "Los dos componentes de la transición cristalográfica en VO 2 ". Revista de química del estado sólido . 3 (4): 490–500. Código bibliográfico : 1971JSSCh ... 3..490G . doi : 10.1016 / 0022-4596 (71) 90091-0 .
- ^ Shin, S .; Suga, S .; Taniguchi, M .; Fujisawa, M .; Kanzaki, H .; Fujimori, A .; Daimon, H .; Ueda, Y .; Kosuge, K. (1990). "Estudio de reflectancia y fotoemisión ultravioleta-vacío de las transiciones de fase metal-aislante en VO 2 , V 6 O 13 y V 2 O 3 ". Physical Review B . 41 (8): 4993–5009. Código Bibliográfico : 1990PhRvB..41.4993S . doi : 10.1103 / physrevb.41.4993 . PMID 9994356 .
- ^ a b MacDonald, Fiona (28 de enero de 2017). "Los físicos han encontrado un metal que conduce la electricidad pero no el calor" . ScienceAlert .
- ^ Lee, Sangwook; Hippalgaonkar, Kedar; Yang, Fan; Hong, Jiawang; Ko, Changhyun; Suh, Joonki; Liu, Kai; Wang, Kevin; Urban, Jeffrey J. (27 de enero de 2017). "Conductividad térmica electrónica anormalmente baja en dióxido de vanadio metálico" (PDF) . Ciencia . 355 (6323): 371–374. Código bibliográfico : 2017Sci ... 355..371L . doi : 10.1126 / science.aag0410 . PMID 28126811 . S2CID 206650639 .
- ^ Brauer, G. ed. (1963) Manual de Química Inorgánica Preparativa , 2ª Ed. Prensa académica. NUEVA YORK. Vol. 1. p. 1267.
- ^ Nuevos estudios explican la transición de aislante a metal del dióxido de vanadio , PhysOrg. 11 de abril de 2015.
- ^ Crunteanu, Aureliano; Givernaud, Julien; Leroy, Jonathan; Mardivirin, David; Champeaux, Corinne; Orlianges, Jean-Christophe; Catherinot, Alain; Blondy, Pierre (2010). "Transición de aislador metálico activado por voltaje y corriente en interruptores eléctricos basados en VO 2 : un análisis de funcionamiento de por vida" . Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 11 (6): 065002. Código bibliográfico : 2010STAdM..11f5002C . doi : 10.1088 / 1468-6996 / 11/6/065002 . PMC 5090451 . PMID 27877369 .
- ^ Pattanayak, Milinda; Hoque, Md Nadim F .; Fan, Zhaoyang; Bernussi, Ayrton A. (2018). "Generación de oscilación eléctrica con conmutación de resistividad inducida por corriente en dispositivos de microcanal VO 2 " . Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 19 (1): 693–701. Código bibliográfico : 2018STAdM..19..693P . doi : 10.1080 / 14686996.2018.1521249 .
- ^ Driscoll, T .; Palit, S .; Qazilbash, MM; et al. (2008). "Sintonización dinámica de una resonancia híbrida-metamaterial infrarroja utilizando dióxido de vanadio". Letras de Física Aplicada . 93 (2): 024101. doi : 10.1063 / 1.2956675 .
- ^ Kats, Mikhail A .; Blanchard, Romain; Zhang, Shuyan; et al. (21 de octubre de 2013). "Dióxido de vanadio como metamaterial desordenado natural: emisión térmica perfecta y emisión térmica diferencial negativa de banda ancha grande" . Physical Review X . 3 (4): 041004. doi : 10.1103 / PhysRevX.3.041004 .
- ^ a b c d e "El metamaterial natural se ve más frío cuando se calienta" . physicsworld.com. 2013-10-25 . Consultado el 1 de enero de 2014 .
- ^ Kats, MA; Blanchard, R .; Zhang, S .; Genevet, P .; Ko, C .; Ramanathan, S .; Capasso, F. (2013). "Dióxido de vanadio como metamaterial desordenado natural: emisión térmica perfecta y emisión térmica diferencial negativa de banda ancha grande". Physical Review X . 3 (4): 041004. arXiv : 1305.0033 . Código bibliográfico : 2013PhRvX ... 3d1004K . doi : 10.1103 / PhysRevX.3.041004 . S2CID 53496680 .
- ^ a b c d Wang, Chao; Zhao, Li; Liang, Zihui; Dong, Binghai; Wan, Li; Wang, Shimin (2017). "Nuevas películas compuestas inteligentes multifuncionales de SiO 2 / VO 2 con rendimiento mejorado de regulación de luz infrarroja, capacidad de modulación solar y superhidrofobicidad" . Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 18 (1): 563–573. Código Bib : 2017STAdM..18..563W . doi : 10.1080 / 14686996.2017.1360752 . PMC 5613921 . PMID 28970866 .
- ^ Guzman, G. Dióxido de vanadio como revestimiento activo infrarrojo . solgel.com
- ^ "Revestimientos de ventanas inteligentes que permiten la entrada de luz pero mantienen el calor fuera - Noticia" . Azom.com. 2004-08-12 . Consultado el 12 de septiembre de 2012 .
- ^ Espinasse, Phillip (3 de noviembre de 2009). "El revestimiento de ventana inteligente refleja el calor, no la luz" . revista oe. Archivado desde el original el 24 de mayo de 2005 . Consultado el 12 de septiembre de 2012 .
- ^ "Cronometraje del obturador óptico más rápido de la naturaleza" . Physorg.com. 7 de abril de 2005.
- ^ Jeehoon Kim; Ko, Changhyun; Frenzel, Alex; Ramanathan, Shriram; Hoffman, Jennifer E. (2010). "Imágenes a nanoescala y control de la conmutación de resistencia en VO 2 a temperatura ambiente" (PDF) . Letras de Física Aplicada . 96 (21): 213106. Código bibliográfico : 2010ApPhL..96u3106K . doi : 10.1063 / 1.3435466 .
Fuentes citadas
- Haynes, William M., ed. (2011). Manual CRC de Química y Física (92ª ed.). Prensa CRC . ISBN 978-1439855119.