近年来,二氧化钒薄膜材料因其独特的金属-绝缘体转变特性及其在光电器件和传感器领域呈现出巨大的应用前景,引起国内外学者的广泛关注。由于钒具有多个化学价态且形成的氧化物相结构较为复杂,制备高质量纯相VO₂薄膜材料仍是国际上巨大的技术挑战,因此,寻求一种简单的方法实现物相可控的VO₂薄膜沉积,是开发新型VO₂薄膜功能器件的前提。VO₂薄膜的功能化是基于外界条件改变其相变特性,实现金属-绝缘体转变特性,从而实现VO₂薄膜器件的广泛应用。本论文采用热力学分析了由V2O5热处理获得VO₂的可行性,结果表明在低压或者相对真空条件下,在较低的热处理温度下可获得VO₂。因此,我们采取两步法制备具有良好热致相变特性的VO₂薄膜。即以玻璃基片为衬底,采用磁控溅射技术制备出具有良好光电性能的V2O5薄膜,再利用真空管式炉对V2O5薄膜进行热处理,进而获得了具有良好金属-绝缘相变特性的VO₂薄膜。实验中发现V2O5薄膜的光电性能对溅射氧分压和溅射时间具有较强依赖作用,而在对V2O5薄膜进行热处理制备VO₂薄膜的过程中,热处理温度和热处理时间对薄膜的物相结构、组成以及热致相变特性有重要的影响。研究表明在热处理温度为450°C,热处理时间为120 min时,获得的VO₂薄膜具有明显择优取向,其金属-绝缘体相变温度为54°C,热滞回线宽度为7°C,可见光透过率为32%。采用原子力显微镜测试不同温度下VO₂薄膜的原子力振幅变化,研究其金属-绝缘相变特性,结果表明VO₂薄膜在相转变过程中,其原子力振幅在相变温度为55°C时,平均原子力振幅由0.22突变到0.25。利用低能离子束对VO₂薄膜进行辐照,探究了离子辐照角度、辐照能量和辐照时间对薄膜表面形貌的影响。研究结果表明通过控制合适的辐照工艺参数可以在VO₂薄膜的表面产生周期性带状波纹结构,并采用MCB理论阐述了VO₂薄膜带状结构的形成机理。离子辐照引起薄膜表面产生两种结构:即普通的颗粒结构和周期性的带状结构。通过研究离子辐照对VO₂薄膜金属-绝缘相变特性的影响,发现离子辐照引起VO₂薄膜表面产生氧空位和破坏VO₂结构中的V-V对,致使VO₂薄膜金属-绝缘体相变温度由54°C降低至42.5°C,热滞回线宽度由7°C减小至5°C,可见光透过率由最高32%提高到50%。为了进一步分析氧空位对VO₂相变特性的影响,采用第一性原理的方法研究了氧空位浓度对VO₂（M）和VO₂（R）晶格参数、电子结构以及光学性质的影响。结果表明氧空位的存在使VO₂（M）中β角减小、体积V增加,同时增加了V-V对键长,最终导致相变温度降低。其次,氧空位的存在造成VO₂（R）中V-V键距发生非等距变化,这种键类似于VO₂（M）中V-V长短交替的V-V键,VO₂（R）中的VO6正八面体构型发生扭曲形成类似VO₂（M）中扭曲的VO6八面体,这种扭曲的VO6八面体则可在VO₂（M）相变过程中作为成核点,减小热滞回线宽度。氧空位的存在,也导致VO₂（M）和VO₂（R）中V3d和O2p轨道皆发生轻微的改变,使其可见光透过率提高。基于VO₂薄膜的相变特性制备了VO₂/玻璃/Yb3+/Er3+/C12A7光学器件,研究不同的温度和泵浦功率对光学器件的上转换发光性能产生的影响。结果表明上转换光学器件红绿发光强度随温度升高而减小,当温度降低时红绿发光强度则可逆升高;当泵浦功率增加时,上转换光学器件的发光强度呈增加趋势,在阈值激发功率处其发光强度增加趋势明显减小,当泵浦功率减小时发光强度呈现出可逆性变化。这是由于温度和激光诱导引起VO₂薄膜发生相变,相变前后980 nm激光的透过率发生改变,影响其上转换发光强度,因此,VO₂/玻璃/Yb3+/Er3+/C12A7光学器件可以实现对上转换发光的可逆调控。