作为一种典型的相变材料,二氧化钒可以在光、电、热、压力等激励下发生从单斜相到四方相的相变。二氧化钒的相变伴随着材料光电性能的突变,同时相变过程是完全可逆的,在撤销外部激励后,二氧化钒可以自发地由四方相转变为单斜相。二氧化钒独特的相变特性使其在热探测、阈值开关、热致变色智能窗、场效应晶体管、忆阻器以及可调谐超表面阵列等领域具有广阔的应用前景。二氧化钒的相变过程伴随着一种晶体结构向另一种晶体结构的结构转变,而调控晶体结构的方法包括掺杂、调节结晶过程的工艺参数和界面应力等。因此,通过掺杂、改变二氧化钒制备过程的工艺参数和界面应力可以有效地调节二氧化钒的相变特性。本论文通过双元素掺杂、调节薄膜沉积温度、快速退火、电形成等方法调控二氧化钒薄膜的微结构,并系统研究了薄膜微结构对其相变性能的影响机制;在此基础上,探索了经结构裁减后的二氧化钒在热敏薄膜、高性能阈值开关、智能窗等领域的应用潜力。论文主要研究内容如下:1.研究了稀土元素Y和过渡金属元素Ti共掺杂对二氧化钒薄膜微观结构以及相变特性的影响。借助于结构解析发现,Ti、Y共掺杂对二氧化钒点阵结构调控具有共轭作用。在单元素掺杂中,Ti元素主要影响二氧化钒单斜晶格中V-V链结构,而Y元素则影响V、O原子的相互作用;Ti或Y掺杂,二氧化钒都保持了基本的单斜相结构。而二氧化钒中Ti、Y共掺杂带来的共轭作用导致点阵结构中V-V链和V-O键的同步调整,使VO八面体结构显著畸变,薄膜中出现B相二氧化钒,甚至出现非晶态的二氧化钒。2.深入研究了沉积温度对Y掺杂二氧化钒薄膜的晶体结构和相变特性的影响。Y-O键强度大于V-O键,二氧化钒点阵中Y-O键的存在将一定程度上抑制二氧化钒晶化过程中的长程有序化。这种影响的程度依赖于沉积时的工艺温度。随着沉积温度升高,掺Y对二氧化钒长程有序化的抑制作用增强,导致二氧化钒薄膜颗粒的平均尺度减小,平均晶粒尺度和相变幅度也持续降低。当沉积温度达到200℃时,薄膜的单斜相二氧化钒特征Raman峰强度开始降低,部分特征峰消失,单斜相长程有序化程度显著降低。薄膜中开始出现大量非晶区域,在局部形成了独特的非晶包裹微晶颗粒的复合结构。同时薄膜中出现一定数量的V3+离子。这种非晶包裹微晶颗粒的复合结构特征和一定量V3+离子的存在使薄膜的金属绝缘相变行为被完全抑制,且薄膜电阻率低至0.01Ω·cm,而TCR高于1.5%。该薄膜是一种极具发展潜力的热敏材料。3.分别以Pt和ITO为上下电极,通过电退火在二氧化钒、五氧化二钒和七氧化三钒三相共存的复合相薄膜制备了高质量的单晶二氧化钒颗粒,该单晶二氧化钒颗粒的开关性能远超同尺度多晶二氧化钒开关,其开关比（143）、开关时间（23ns）、开关稳定性（>109）等关键性能相比目前报导的开关器件都有一定优势。同时,借助于诱导晶化的方法,分别制备了（（?）11）和（011）取向的二氧化钒单晶颗粒,并研究了这种取向特征对阈值开关器件开关性能的影响机制。基于（（?）11）取向单晶颗粒的阈值开关器件具有比（011）取向器件更高的开关比。这种开关比与晶粒取向之间的联系揭示了二氧化钒相变特性与晶轴内应力间显著的依赖关系。4.首次通过磁控溅射预沉积和快速退火工艺制备了具有优良热致变色性能的氧化钒薄膜,该薄膜为顶层30-50nm的非晶五氧化二钒和底层七氧化三钒、五氧化二钒、二氧化钒复合相结构。这种复合结构显著提高了氧化钒薄膜的热致变色性能(ΔTsol和Tlum值为18.7%和34.5%)和环境稳定性。加速实验证实该薄膜预计有超过20年的使用寿命（加速温度150℃,湿度60%）。将快速退火工艺和W元素掺杂相结合,制备的掺W复合相氧化钒薄膜的相变温度可低至室温附近（36.6℃）,同时具有优良的热致变色性能(ΔTsol和Tlum值分别为13.2%和35.6%)和超过20年的预期使用寿命。