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Óxido de vanadio (IV)

El óxido de vanadio (IV) o dióxido de vanadio es un compuesto inorgánico con la 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 ion vanadilo azul , [VO] 2+ y en álcali para dar el ion marrón [V 4 O 9 ] 2− , o a pH alto [VO 4 ] 4- . [4] El VO 2 tiene una transición de fase muy cercana a la temperatura ambiente (~68 °C (341 K)). [5] La resistividad eléctrica, la opacidad, etc., pueden variar en varios órdenes. Debido a estas propiedades, se ha utilizado en recubrimientos de superficies, [6] sensores, [7] e imágenes. [8] Las aplicaciones potenciales incluyen el uso en dispositivos de memoria, [9] [10] interruptores de cambio de fase, [11] aplicaciones de enfriamiento radiativo pasivo , como ventanas y techos inteligentes, que enfrían o calientan dependiendo de la temperatura, [12] [13 ] [14] sistemas de comunicación aeroespacial y computación neuromórfica . [15] Ocurre en la naturaleza, como el mineral Paramontroseita.

Propiedades

Estructura

VO
2estructura. Los átomos de vanadio son de color púrpura y los átomos de oxígeno son de color rosa. Los dímeros V-V están resaltados por líneas violetas en (a). Las distancias entre átomos de vanadio adyacentes son iguales en (b).

A temperaturas inferiores a Tc = 340 K (67 °C), VO
2tiene una estructura cristalina monoclínica ( grupo espacial P2 1 /c). Por encima de Tc , 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 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 fase monoclínica. [5]

La morfología de equilibrio del rutilo VO.
2Las partículas son aciculares, confinadas lateralmente por (110) superficies, que son los planos de terminación más estables. [16] La superficie tiende a oxidarse con respecto a la composición estequiométrica, y el oxígeno adsorbido en la superficie (110) forma especies de vanadilo. [16] La presencia de iones V 5+ en la superficie de VO
2Las películas han sido confirmadas mediante espectroscopía fotoelectrónica de rayos X. [17]

efecto memoria

En 2022, se informó de una característica única y desconocida hasta la fecha del material: puede "recordar" estímulos externos previos [ se necesita aclaración ] (a través de estados estructurales en lugar de electrónicos), con potencial para, por ejemplo, el almacenamiento y procesamiento de datos, potencialmente incluidos en neuromórficos. informática . [18] [19]

Electrónico

En la temperatura de transición de rutilo a monoclínica (67 °C (340 K)), 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. [20] La banda prohibida óptica del VO 2 en la fase monoclínica de baja temperatura es de aproximadamente 0,7 eV. [21]

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 era el 10% de la cantidad predicha por la ley de Wiedemann-Franz. La razón de esto parece ser la forma fluida en que los electrones se mueven a través del material, reduciendo el típico movimiento aleatorio de los electrones. [22] Conductividad térmica ~ 0,2 W/m⋅K, conductividad eléctrica ~ 8,0 ×10^5 S/m. [23]

Las aplicaciones potenciales incluyen la conversión del calor residual de motores y electrodomésticos en electricidad, [24] y ventanas o cortinas que mantienen frescos los edificios. [12] La conductividad térmica varió cuando el VO 2 se mezcló con otros materiales. A baja temperatura podría actuar como aislante, mientras que a temperatura más alta conduce calor. [22]

Síntesis y estructura

Nanoestrellas de óxido de vanadio (IV).

Siguiendo el método descrito por Berzelius , VO
2se prepara mediante comparación de óxido de vanadio (III) y óxido de vanadio (V) : [25]

V
2oh
5 + v
2oh
3 → 4VO
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 enlaces metal-metal. Por encima de 68 °C (341 K), la estructura cambia a una estructura de rutilo no distorsionada y los enlaces metal-metal se rompen provocando un aumento de la conductividad eléctrica y la susceptibilidad magnética a medida que se "liberan" los electrones de enlace. [4] El origen de esta transición de aislante a metal sigue siendo controvertido y es de interés tanto para la física de la materia condensada [26] como para aplicaciones prácticas, como interruptores eléctricos, filtros eléctricos sintonizables, limitadores de potencia, nanoosciladores, [27] memristores , Transistores de efecto de campo y metamateriales . [28] [29] [30]

Reflectancia infrarroja

Espectros de transmitancia de un VO
2/ SiO
2película. Un calentamiento suave produce una absorción significativa de luz infrarroja.

VO
2expresa propiedades reflectantes dependientes de la temperatura. Cuando se calienta desde temperatura ambiente a 80 °C (353 K), la radiación térmica del material aumenta normalmente hasta 74 °C (347 K), antes de parecer caer repentinamente a alrededor de 20 °C (293 K). A temperatura ambiente, VO
2Es casi transparente a la luz infrarroja. A medida que su temperatura aumenta, cambia gradualmente a reflectante. A temperaturas intermedias se comporta como un dieléctrico muy absorbente. [31] [32]

Una fina película de óxido de vanadio sobre un sustrato altamente reflectante (para longitudes de onda infrarrojas específicas), como el zafiro, es absorbente o reflectante, 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 de la emisividad, pareciendo más fría para las cámaras infrarrojas de lo que realmente es. [33] [31]

Variar los materiales del sustrato (por ejemplo, óxido de indio y estaño), así como modificar el recubrimiento de óxido de vanadio mediante dopaje, deformación u otros procesos, altera las longitudes de onda y los rangos de temperatura en los que se observan los efectos térmicos. [31] [33]

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 revestimiento con tungsteno reduce el rango térmico del efecto a temperatura ambiente. [31]

Usos

Gestión de la radiación infrarroja

Las películas de dióxido de vanadio sin dopar y dopadas con tungsteno pueden actuar como recubrimientos "espectralmente selectivos" para bloquear la transmisión de infrarrojos y reducir la pérdida de calor interior del edificio a través de las ventanas. [33] [34] [35] Variar la cantidad de tungsteno permite regular la temperatura de transición de fase a una velocidad de 20 °C (20 K) por 1 por ciento atómico de tungsteno. [33] El revestimiento tiene un ligero color amarillo verdoso. [36] El rendimiento de las ventanas inteligentes que ahorran energía se puede mejorar combinando VO2 con capas antirreflectantes. [37] La ​​tecnología de preparación a baja temperatura de multicapas a base de V 1-x W x O 2 se ha ampliado a dimensiones industriales. [38]

Otras posibles aplicaciones de sus propiedades térmicas incluyen camuflaje pasivo, balizas térmicas, comunicación o acelerar o ralentizar deliberadamente el enfriamiento. Estas aplicaciones podrían resultar útiles para una variedad de estructuras, desde hogares hasta satélites. [31]

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 (341 K), puede ocurrir en tiempos tan cortos como 100 femtosegundos. [39]

Enfriamiento radiativo pasivo

El dióxido de vanadio es esencial para lograr efectos de enfriamiento y calentamiento "conmutables" basados ​​en la temperatura para superficies de enfriamiento radiativo pasivo durante el día sin aporte de energía adicional. La conmutación basada en la temperatura puede ser esencial para mitigar los posibles efectos de "sobreenfriamiento" de los dispositivos de enfriamiento radiativo en entornos urbanos, especialmente aquellos con veranos calurosos e inviernos fríos, lo que hace posible que los enfriadores radiativos también funcionen como dispositivos de calentamiento pasivo cuando sea necesario. [40] [41]

Computación y memoria de cambio de fase.

La transición de fase aislante-metal en VO 2 se puede manipular a nanoescala utilizando la punta de un microscopio de fuerza atómica conductora sesgada, [42], lo que sugiere aplicaciones en informática y almacenamiento de información. [10]

Ver también

Referencias

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Bibliografía

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el óxido de vanadio (IV) .

enlaces externos