热致变色二氧化钒薄膜的研究进展(2)

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3 VO2薄膜的应用

热致变色VO2薄膜应用领域很广,并不断得到拓展。自提出将VO2用于智能窗以来,针对此应用对VO2薄膜的制备、性能等进行了大量研究。光子晶体、伪装隐身技术等是VO2薄膜新的应用领域,对其的研究方兴未艾。

3.1 智能窗

热致变色VO2薄膜在相变前后的红外光透射率会发生较大幅度的变化,若通过掺杂等方法使VO2薄膜相变点降到室温,可将其用作智能窗材料。将热致变色VO2薄膜贴覆于建筑物、汽车等窗体表面,当冬天温度低于相变点时,红外光能透过VO2薄膜使室内温度升高;当夏天温度升高到相变点以上时,VO2发生相变使红外光的透过率降低,室内温度降低,实现冬暖夏凉的效果。在夏天使用这种智能窗可以节约电能30%,用在车窗上则可节约燃料[39],这对于减轻能源紧张压力、建设资源节约型社会很有意义。

将VO2薄膜实际应用于智能窗有几个问题必须解决:(1)VO2薄膜的Tc高于室温,需通过掺入W、Mo等元素或制备纳米结构VO2薄膜使其降低至室温;(2)VO2薄膜相变前后在可见光波段都具有较低的透过率(30%~40%),需通过镀制SiO2等减反射膜或其它方法提高其可见光透过性;(3)掺杂或镀覆减反射膜等会影响VO2薄膜的相变性能,需提高VO2薄膜的整比性及结晶状态来保证VO2薄膜的热致变色效果;(4)大面积、高质量VO2薄膜的制备。针对上述问题的研究很多,技术也日趋成熟。中科院广州能源所徐刚的/自动调光高效节能镀膜玻璃项目0利用VO2热致变色材料,通过光学优化设计,研发出随环境温度自动调光的高效节能镀膜玻璃,可以用于建筑和汽车等节能领域,计划2008年完成中试并产业化。

2.3 溶胶2凝胶法

溶胶2凝胶法(Sol2gel)是一种制备VO2薄膜简便易行的方法,其掺杂方便,易于在大面积及异形衬底上成膜。该法将钒的有机或无机化合物溶解在适当的溶剂中并加入其它原料配制成溶液,在一定温度下进行水解、聚合形成均匀溶胶(Sol),再进一步反应失去大部分溶剂形成凝胶(Gel),经过浸涂(Dipcoating)或旋涂(Spincoating)在衬底上成膜,再经干燥、热处理等过程制得薄膜。

[21]i[9,10]

Greenberg用VO(OPr)3溶胶、SongweiLu等用VO(OPri)3溶胶、YasutakaTakahashi等[20]用VO(OBui)32H2O2PriOH溶胶分别制备出VO2薄膜,这些采用有机物溶胶的方法称为有机Sol2gel法。JacquesLivage等[34]以无机偏钒酸盐NH4VO3为起始原料,通过反应NH4VO3+3ROHyVO(OR)3+2H2O+NH3合成出钒的含氧醇盐,其中ROH为异丙醇(PrOH)或叔戊醇(AmOH),然后以钒的含氧醇盐为前驱物在相应醇中形成溶胶,在Si衬底上通过旋涂法成膜,i

t

3.2 光子晶体

光子晶体是一种折射率或介电常数周期性变化排列的超材料,其基本特征是存在光子带隙,新颖奇特的物理性质2

介绍氧化钒的重要文献

#108#材料导报:综述篇 2009年11月(上)第23卷第11期

都会发生变化,通过合理的设计可以实现VO2介电常数的周期性排列;还可通过热、电、光等方式控制VO2的相变,调节介电常数,实现光子带隙的可调。

D.Xiao等[40]设计出基于VO2薄膜相变特性的电调二维光子晶体,结构如图4所示。通过外加偏压门电路来控制VO2的相变,能带计算结果表明了光子带隙的存在,证明这种结构可行。V.Scherbakov等[41]利用激光脉冲调控VO2的相变,实现了opal2VO2光子晶体带隙位置的调节。涂圣义等[42]通过电化学沉积法制备出VO2反蛋白石光子晶体薄膜,VO2反opal结构规整,大面积内有序,相变温度在62e左右,电阻突变量级在102~103

之间。

点。目前国内外对VO2薄膜的研究主要集中在薄膜制备、相变温度降低、电学及光学性能提高这3个方面。

薄膜的常用制备技术都可用来制备VO2薄膜,如CVD、磁控溅射、Sol2gel法等,VO2薄膜的制备技术也日趋成熟,但对薄膜性能的提高有限,可根据VO2的具体特性开发新的薄膜制备技术。降低相变温度目前最有效的办法是掺杂,但掺杂后薄膜的光学电学突变性能变差,可考虑通过调节薄膜的结晶状况及所受应力状态来改变相变温度,如制备纳米VO2薄膜;同时应对掺杂降低相变温度的机理进行研究,如可通过掺杂VO2晶体结构的第一性原理计算,分析能带及态密度,找出掺杂对相变特性的影响规律,胡永金等[45]进行了VO2晶体电子结构及其掺杂的第一性原理的初步研究,宋婷婷等也进行了金红石型二氧化钒电子结构及光电性质的计算,这将对VO2薄膜的研究起到指导作用。薄膜性能的提高主要通过薄膜制备工艺的优化来实现,制备参数的调节将影响薄膜的最终相变特性。

VO2薄膜基础研究的广泛深入开展,使其逐步走向实际

[46]

图4 2种VO2光子晶体结构的示意图[40]Fig.4 SchematicdiagramsoftwoVO2

photoniccrystalstructures

[40]

3.3 伪装隐身技术

笔者对VO2薄膜在伪装隐身技术中的应用开展了探索性研究。首先研究了VO2涂层的热致变色性能,发现在VO2相变点68e附近涂层发射率突变,有望作为可控发射率材料用于自适应伪装中[43]。热致变发射率VO2薄膜的相关研究正在展开。

鉴于VO2在红外波段具有动态电磁性能并得到广泛的研究与应用,人们开始将目光转向其它电磁波段。Jan2Olof

[44]

Ousb¾ck等研究了VO2薄膜的微波反射特性,通过附有加热装置的网络分析仪,测试了不同温度下14~18GHz波段的反射率,如图5所示,相变前后反射率变化达4dB。这说明VO2不但可以用来控制材料表面的热发射率,而且有希望用于控制材料表面的微波反射率,这一特性在具有开关特性的雷达天线罩及自适应雷达吸波结构等方面具有应用前景。

应用。基于VO2薄膜的智能窗、航天器热控器件、伪装器材等备受关注,VO2薄膜器件的设计与制作将是今后研发的重点。由于VO2在温度较高时易被氧化为高价的钒氧化物,在实际应用中应加强对VO2薄膜的保护,可在其表面镀覆保护膜层。

参考文献

1 MorinFJ.Oxideswhichshowametal2to2insulatortransi2

tionattheneeltemperature[J].PhysRevLett,1959,(3):34

2 FillinghamPJ.Domainstructureandtwinningincrystalsof

vanadiumdioxide[J].JApplPhys,1967,38(12):48233 BeckerMF,BuckmanAB,WalserRM.Femtosecondla2serexcitationofthesemiconductor2metalphasetransitioninVO2[J].ApplPhysLett,1994,65(12):1507

4 GuinnetonF,SauquesL,ValmaletteJC,etal.Roleofsur2

facedefectsandmicrostructureininfraredopticalpropertiesofthermochromicVO2materials[J].JPhysChemSolids,2005,66:63

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6 HanlonTJ,WalkerRE,parisonbetween

vanadiumdioxidecoatingsonglassproducedbysputtering,alkoxideandaqueoussol2gelmethods[J].ThinSolidFilms,

图5 VO2薄膜相变前后14~18GHz的微波反射率

Fig.5 The14~18GHzreflectionofVO2thinfilm

beforeandafterphasetransition[42]

[42]

2002,405:234

7 GuinnetonF,SauquesL,ValmaletteJC,para2tivestudybetweennanocrystallinepowderandthinfilmofvanadiumdioxideVO2:Electricalandinfraredproperties[J].JPhysChemSolids,2001,62:1229

T,F2

4 结语

介绍氧化钒的重要文献

热致变色二氧化钒薄膜的研究进展/刘东青等

dopedVO2filmsstudiedbyphotoelectronspectrometry[J].ThinSolidFilms …… 此处隐藏：4227字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……