酸化バナジウム(IV)

臨界温度 T_c = 340 K (67 °C) 未満では、VO₂ は単斜晶系（空間群 P2₁/c）の結晶構造をとる。T_c を超えると、ルチル型TiO₂に類似した正方晶構造となる。単斜晶相では V⁴⁺ イオンがc軸に沿って対をなし、隣接V原子間距離が 2.65 Å と 3.12 Å の短長が交互に現れる。これに対しルチル相では V⁴⁺ イオン間距離は 2.96 Å に固定される。その結果、結晶学的単位格子に含まれる V⁴⁺ イオン数は、ルチル相から単斜晶相への移行で2倍になる^[5]。

ルチル型VO₂粒子の平衡形態は針状で、横方向は(110)面で拘束される。(110)面は最も安定な終端面である^[16]。表面は化学量論組成に対して酸化されやすく、(110)面に吸着した酸素がバナジル種を形成する^[16]。VO₂薄膜表面に V⁵⁺ イオンが存在することは、X線光電子分光法により確認されている^[17]。

2022年、本材料について、それまで知られていなかった特徴が報告された。外部刺激の履歴を「記憶」できる可能性があり（電子状態ではなく構造状態を介する）、データ保存や処理、ニューロモルフィック・コンピューティングなどへの応用が示唆されている^[18][19]。

ルチル相から単斜晶相への転移温度（67 °C (340 K)）では、VO₂の電子構造も金属相から半導体相へ転移する。すなわちルチル相は金属的で、単斜晶相は半導体的である^[20]。低温単斜晶相におけるVO₂の光学的バンドギャップは約0.7 eVである^[21]。

金属状態のVO₂は、金属では電子による熱伝導率（κ）と電気伝導率（σ）の比が温度に比例するというウィーデマン・フランツの法則に反する。電子の移動に由来するとみなせる熱伝導率は、同法則が予測する値の約10%であった。原因として、電子が材料中を流体的に移動し、典型的なランダム散乱に基づく挙動が弱まることが示唆されている^[22]。熱伝導率は約 0.2 W/m·K、電気伝導率は約 8.0 ×10^5 S/m と報告されている^[23]。

応用として、エンジンや家電などの廃熱を電力へ変換すること^[24]、建物を涼しく保つ窓や窓用被覆などが挙げられている^[12]。また、VO₂を他材料と混合した場合、低温では断熱材として、より高温では熱を通しやすい材料として振る舞うなど、熱伝導特性が変化することがある^[22]。

ベルセリウスが記述した方法に従い、VO₂はコンプロポーショネーションにより、酸化バナジウム(III)と酸化バナジウム(V)から調製できる^[25]。

V₂O₅ + V₂O₃ → 4 VO₂

室温ではVO₂は歪んだルチル型構造をとり、V原子対の距離が短くなることから金属-金属結合の存在が示唆される。68 °C (341 K) を超えると、構造は歪みのないルチル型へ変化し、金属-金属結合が切れる。このとき電気伝導率と磁化率が増大し、結合に関与していた電子が「解放」されると説明される^[4]。この絶縁体-金属転移の起源は依然として議論があり、物性物理学^[26] と実用の両面から関心が持たれている。応用例として、電気スイッチ、可変電気フィルタ、パワーリミッタ、ナノ発振器^[27]、メモリスタ、電界効果トランジスタ、メタマテリアルなどが挙げられている^[28][29][30]。

VO₂は温度依存の反射特性を示す。室温から 80 °C (353 K) まで加熱すると、熱放射は通常どおり増加した後、74 °C (347 K) 付近で突然、見かけ上 20 °C (293 K) 程度まで低下したかのように振る舞う。室温ではVO₂は赤外にほぼ透明だが、温度上昇とともに徐々に反射性へ移行する。中間温度域では強い吸収を示す誘電体として振る舞う^[31][32]。

高反射基板（特定の赤外波長に対して）であるサファイアなどの上に形成したバナジウム酸化物薄膜は、温度に応じて吸収性または反射性を示す。放射率は温度により大きく変化する。転移に伴い構造が変化すると、放射率が急減し、赤外カメラには実温度よりも低温に見えることがある^[33][31]。

基板材料（例：酸化インジウムスズ）を変えること、あるいはドーピング、歪み付与などでバナジウム酸化物コーティングを改変することにより、熱効果が現れる波長域や温度域が変化する^[31][33]。

転移領域で自然に形成されるナノスケール構造が、温度上昇に伴う熱放射を抑制し得る。タングステンをドープすると、効果が現れる温度域を室温付近へ下げられる^[31]。