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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 , 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 cambiar varios órdenes. Debido a estas propiedades, se ha utilizado en recubrimientos de superficies, [6] sensores, [7] e imágenes. [8] Las aplicaciones potenciales incluyen su uso en dispositivos de memoria, [9] [10] interruptores de cambio de fase, [11] aplicaciones de enfriamiento radiativo pasivo , como ventanas y techos inteligentes, que se enfrían o calientan según la temperatura, [12] [13] [14] sistemas de comunicación aeroespacial y computación neuromórfica . [15] Se presenta en la naturaleza como el mineral Paramontroseíta.

Propiedades

Estructura

En voz alta
2Estructura. Los átomos de vanadio son de color violeta y los átomos de oxígeno son de color rosa. Los dímeros V–V están resaltados con líneas violetas en (a). Las distancias entre átomos de vanadio adyacentes son iguales en (b).

A temperaturas inferiores a 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
2En la fase monoclínica, los iones V 4+ forman pares a lo largo del eje c, lo que da lugar 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 el rutilo hasta la fase monoclínica. [5]

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

Efecto memoria

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

Electrónico

A la temperatura de transición de rutilo a monoclínico (67 °C (340 K)), VO
2También presenta una transición de metal a semiconductor en su estructura electrónica: la fase rutilo es metálica mientras que la fase monoclínica es semiconductora. [20] La brecha de banda óptica de VO 2 en la fase monoclínica de baja temperatura es de aproximadamente 0,7 eV. [21]

Térmico

El VO2 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 electrones fue el 10% de la cantidad predicha por la ley de Wiedemann-Franz. La razón de esto parece ser la forma fluídica en que los electrones se mueven a través del material, lo que reduce el movimiento aleatorio típico de los electrones. [22] Conductividad térmica ~ 0,2 W/m⋅K, conductividad eléctrica ~ 8,0 ×10^5 S/m. [23]

Las posibles aplicaciones incluyen la conversión del calor residual de los motores y los electrodomésticos en electricidad [24], y ventanas o revestimientos de ventanas que mantienen frescos los edificios [12] . La conductividad térmica varió cuando el VO2 se mezcló con otros materiales. A baja temperatura podría actuar como aislante, mientras que conduciría el calor a una temperatura más alta [22] .

Síntesis y estructura

Nanoestrellas de óxido de vanadio (IV).

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

V
2Oh
5 + V
2Oh
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, lo que indica un enlace metal-metal. Por encima de los 68 °C (341 K), 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. [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.

En voz alta
2Tiene propiedades reflectantes dependientes de la temperatura. Cuando se calienta desde la temperatura ambiente hasta 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 aumenta su temperatura cambia gradualmente a reflectante. A temperaturas intermedias se comporta como un dieléctrico altamente absorbente. [31] [32]

Una película delgada 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, lo que hace que parezca más fría de lo que realmente es para las cámaras infrarrojas. [33] [31]

La variación de los materiales del sustrato (por ejemplo, óxido de indio y estaño), así como la modificación del 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 escala nanométrica que aparecen de forma natural en la región de transición de los materiales pueden suprimir la radiación térmica a medida que aumenta la temperatura. Al dopar el revestimiento con tungsteno se reduce el rango térmico del efecto a temperatura ambiente. [31]

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 del 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 tasa de 20 °C (20 K) por 1 por ciento atómico de tungsteno. [33] El recubrimiento tiene un ligero color verde amarillento. [36] El rendimiento de las ventanas inteligentes que ahorran energía se puede mejorar combinando VO2 con capas antirreflejos. [37] La ​​tecnología de preparación a baja temperatura de multicapas basadas en V 1-x W x O 2 se ha ampliado a dimensiones industriales. [38]

Otras posibles aplicaciones de sus propiedades térmicas incluyen el camuflaje pasivo, las balizas térmicas, la comunicación o la aceleración o desaceleración deliberada del enfriamiento. Estas aplicaciones podrían ser útiles para una variedad de estructuras, desde viviendas hasta satélites. [31]

El dióxido de vanadio puede actuar como modulador óptico extremadamente rápido , modulador infrarrojo para sistemas de guía de misiles , cámaras, almacenamiento de datos y otras aplicaciones. La transición de fase termocrómica entre la fase semiconductora transparente y la fase conductora reflectante, que se produce a 68 °C (341 K), puede ocurrir en tiempos tan cortos como 100 femtosegundos. [39]

Refrigeración radiativa pasiva

El dióxido de vanadio es esencial para lograr efectos de enfriamiento y calentamiento "conmutables" en función de la temperatura para superficies de enfriamiento radiativo pasivo diurno sin un aporte adicional de energía. La conmutación en función de 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 de cambio de fase y memoria

La transición de fase aislante-metal en VO2 se puede manipular a escala nanométrica utilizando una punta de microscopio de fuerza atómica conductora polarizada, [42] lo que sugiere aplicaciones en computación y almacenamiento de información. [10]

Véase también

Referencias

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Bibliografía

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