[发明专利]一种掺杂硫化镍合金化合物电子相变材料的制备方法及应用

说明书

本发明属于合金化合物电子相变材料领域，涉及一种掺杂硫化镍合金化合物电子相变材料的制备方法及应用，通过掺杂元素组分和合成工艺设计，实现元素掺杂硫化镍合金化合物的电阻率突变温度在室温附近及以上范围的连续调控且电阻率突变程度超过一个数量级。与传统的氧化物电子相变材料相比，本发明所制备的合金化合物电子相变材料的优势在于，具有良好的力学性能和可加工性，电阻率突变程度高。所制备掺杂硫镍化合物可进一步制作成突变式热敏电阻器件，强关联逻辑器件，红外伪装涂层，热致变色涂层，从而实现室温附近的突变式功能器件的应用。

技术领域

本发明属于合金化合物电子相变材料领域，具体地涉及一种通过掺杂元素组分和合成工艺设计，实现所制备掺杂硫化镍合金化合物具有电阻率突变温度在室温附近及以上范围的连续调控且电阻率突变程度超过一个数量级的特性，在突变式热敏电阻器件，强关联逻辑器件，红外伪装涂层，热致变色涂层方面具有可观的应用价值。

背景技术

外场触发下强关联半导体电子相变材料可应用于热敏电阻器件，红外传感器、热致变色涂层材料。现有的传统电子相变材料大多集中于二氧化钒和稀土镍基氧化物材料，具有温致相变、氢致相变、相变温度可调的优点。但是亚稳相的氧化物于空气气氛下易变质，且力学性能相对较差，脆性较高，极大的限制半导体电子相变材料的应用潜力。与之相比，合金化合物具有良好的稳定性，延展性，硬度大及力学性能好，因此具有电阻率突变功能的NiS合金化合物有待进一步探索。对于Ni-S系统，硫化镍有α、β、γ三种变体，其中仅有β相NiS具有尖锐的金属绝缘体相变(MIT)特性，具有与经典的二氧化钒(VO₂)相类似的温致相变特性。相比于VO₂等其它种类温致相变材料，通过对NiS中S位元素取代，掺杂Se元素，可以控制Ni原子之间的距离以及Ni 3d(导带)与S 2p(价带)间的重合程度，从而实现对相变温度在近100K的宽广范围内的调节。除改变稀土元素种类外，NiS的温致相变性能还可以通过压力以及阳离子取代(钒、铜、锰)诸多方法实现进一步调节。由于NiS相变并不伴随着晶体结构对称性的变化，因此是典型的由电子-电子相互作用驱动的莫特相变材料，这一独特优势使得其能够成为一种颇具研究价值的典型强电子关联材料体系。

虽然NiS的温致相变特性是经典的电子相变材料，但NiS的相变温度低于室温，且根据以往的报道，对于温致相变特性的调节仅能降低电阻率突变温度，目前尚未有提高其电阻率突变温度的报道，这限制了NiS材料作为室温附近的突变式热敏电阻的应用。综上所述，本领域缺乏一种可以使NiS合金化合物在室温附近发生电阻率突变的工艺方法，从而使NiS可应用于室温附近的突变式热敏电阻器件，强关联逻辑器件，红外伪装涂层，热致变色涂层。

发明内容

本发明的目的在于通过掺杂元素组分和合成工艺设计，实现元素掺杂硫化镍合金化合物的电阻率突变温度在室温附近及以上范围的连续调控且电阻率突变程度超过一个数量级。与传统的氧化物电子相变材料相比，本发明所制备的合金化合物电子相变材料的优势在于，具有良好的力学性能和可加工性，电阻率突变程度高。所制备掺杂硫镍化合物可进一步制作成突变式热敏电阻器件，强关联逻辑器件，红外伪装涂层，热致变色涂层，从而实现室温附近的突变式功能器件的应用。

本发明提供一种掺杂硫化镍合金化合物电子相变材料的制备方法，其特征在于通过预先合成的NiS、掺杂元素硫化物间的固相反应、淬火、后续热处理过程并结合掺杂元素组分及含量设计，实现所制备硫化镍合金化合物的电阻率突变温度在室温附近及以上范围的连续调节且电阻率突变程度超过一个数量级，从而实现其电子器件、光学器件应用，其主要步骤包括：

(1)以镍单质和硫单质通过固相反应合成硫化镍母相，所述硫化镍材料为α相，晶体结构为六方晶系，空间群R3mH，其不具有特征温度触发下的电子相变特性；以掺杂元素单质和硫、硒、碲硫族元素单质通过固相反应合成掺杂元素的硫族化合物，其中掺杂元素处于+2化合价，并具有六方结构且晶格参数与具有电子相变特性的β相硫化镍相近，掺杂元素的硫族化合物具有半导体相输运特性或特征温度高于室温的金属绝缘体相变特性；