一種多孔結(jié)構(gòu)二氧化釩薄膜的制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能薄膜材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種多孔結(jié)構(gòu)二氧化釩薄膜的制備方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化釩薄膜在68°C時(shí)會(huì)發(fā)生從低溫半導(dǎo)體態(tài)到高溫金屬態(tài)的相變，相變過(guò)程伴隨著光學(xué)和電學(xué)性能的突變。而且還可以通過(guò)摻雜來(lái)降低其相變溫度，因此二氧化釩作為功能薄膜材料具有很高的研宄價(jià)值和應(yīng)用前景。
[0003]二氧化釩在低溫時(shí)具有很高的近紅外透過(guò)率，而在高溫時(shí)具有很低的近紅外透過(guò)率。但是由于塊體或單晶二氧化釩在經(jīng)過(guò)多次相變循環(huán)之后容易開(kāi)裂，而二氧化釩多晶薄膜能克服這一缺點(diǎn)，在經(jīng)歷多次相變之后依然穩(wěn)定存在，因此在玻璃等透明基底上制備一層二氧化釩薄膜，利用二氧化釩薄膜的熱致色變性能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制建筑物、汽車(chē)、航天器等內(nèi)部溫度的目的。
[0004]金屬釩具有多種價(jià)態(tài)的氧化物，只有二氧化釩的相變溫度點(diǎn)在室溫附近，因此必須制備出以二氧化釩為主要成分的薄膜。與此同時(shí)，必須降低二氧化釩的相變溫度以更加接近室溫，使其應(yīng)用到智能窗領(lǐng)域。
[0005]二氧化釩薄膜作為智能窗材料，其光學(xué)性能評(píng)價(jià)主要有兩個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是可見(jiàn)光區(qū)域的透過(guò)率，另一個(gè)是近紅外區(qū)域的調(diào)節(jié)效率。在降低二氧化釩相變溫度的同時(shí)必須保證較高的可見(jiàn)光透過(guò)率和近紅外波段調(diào)節(jié)效率。
[0006]目前制備二氧化釩的方法主要有溶膠凝膠法、磁控濺射法、脈沖激光沉積法和離子束濺射法等。溶膠凝膠法制備二氧化釩薄膜成本低，工藝簡(jiǎn)單，但是薄膜的均勻性和厚度不好控制；脈沖激光沉積法和離子束濺射法制備的薄膜質(zhì)量都很好，但是不適合大規(guī)模生產(chǎn)；磁控濺射法具有濺射效率高，成膜均勻，適合大面積生產(chǎn)且無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。然而一步法通入氧氣和氬氣濺射制備二氧化釩薄膜工藝難以控制，重復(fù)性差，后氧化法制備二氧化釩薄膜濺射工藝簡(jiǎn)單，退火氧化過(guò)程也容易控制，成膜效果好，重復(fù)性好，但是需要抽真空然后通入特定的氣氛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種多孔結(jié)構(gòu)二氧化釩薄膜的制備方法及應(yīng)用。利用該方法制備二氧化釩薄膜退火過(guò)程無(wú)需抽真空，直接在空氣條件下進(jìn)行，簡(jiǎn)單易行，降低了對(duì)退火爐的要求。并且制備出的二氧化釩薄膜具有較高的可見(jiàn)光透過(guò)率和近紅外調(diào)節(jié)效率。
[0008]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的方案為:
[0009]1.一種多孔結(jié)構(gòu)二氧化釩薄膜的制備方法，它包括以下步驟:
[0010]I)對(duì)基片表面進(jìn)行清洗；
[0011]2)利用磁控濺射在基片表面制備V/C復(fù)合薄膜，背底真空抽至3.0X 10_3Pa，通入氬氣至工作氣壓為I?2.2Pa，濺射功率為77?300W，濺射時(shí)間為2?60min ；
[0012]3)對(duì)制備好的V/C復(fù)合薄膜退火得到具有相變性能的多孔二氧化釩薄膜，其中退火溫度400?600 °C，退火時(shí)間30?90min。
[0013]上述方案中，所述步驟I)對(duì)基片表面進(jìn)行清洗的步驟具體為:先用清潔劑仔細(xì)清洗基片表面，再用蒸餾水漂洗并烘干，然后用丙酮超聲清洗30min，最后放入無(wú)水乙醇中超聲清洗30min，烘干備用。
[0014]上述方案中，所述步驟I)中的基片為普通玻璃、石英玻璃及透明導(dǎo)電氧化物玻璃。
[0015]上述方案中，所述步驟2)中磁控濺射采用的方式為金屬釩靶與石墨靶共同濺射形成ν/C復(fù)合薄膜或者為金屬釩/摻雜元素復(fù)合靶與石墨靶共同濺射形成元素?fù)诫s的V/C
復(fù)合薄膜。
[0016]上述方案中，所述金屬釩靶采用直流濺射，石墨靶采用射頻濺射。
[0017]上述方案中，所述多孔二氧化I凡薄膜的厚度在20?150nm。
[0018]上述方案中，所述摻雜元素為W、Mo、Al、T1、Nb、Ta或F元素，摻雜量為4wt%以下。
[0019]上述方案中，所述步驟3)中退火氣氛為空氣氣氛。
[0020]一種智能節(jié)能窗玻璃，其包括上述制備方法制得的多孔結(jié)構(gòu)二氧化1凡薄膜。
[0021]本發(fā)明的有益效果在于利用磁控濺射制備V/C復(fù)合薄膜，濺射過(guò)程基片無(wú)需加熱，后續(xù)氧化退火過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)需將退火爐內(nèi)抽真空。利用C原子爭(zhēng)奪空氣中一部分O原子，阻礙V原子被過(guò)氧化到+5價(jià)，C氧化生成的CO相對(duì)分子質(zhì)量與空氣接近，可以作為還原保護(hù)氣氛還原高價(jià)V原子。同時(shí)C原子逸出可形成多孔結(jié)構(gòu)的氧化釩薄膜，有利于提高可見(jiàn)光透過(guò)率同時(shí)保證一定的紅外調(diào)節(jié)效率，工藝上簡(jiǎn)單易行。本發(fā)明的智能節(jié)能玻璃由于采用了多孔結(jié)構(gòu)的二氧化釩薄膜，因此不僅具備熱致變色智能節(jié)能玻璃的優(yōu)點(diǎn)，還具有高可見(jiàn)光透過(guò)率，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為實(shí)施例1中石英玻璃襯底上制備的二氧化釩薄膜室溫和高溫透射光譜圖。
[0023]圖2為實(shí)施例2中ITO玻璃襯底上制備的二氧化釩薄膜室溫和高溫透射光譜圖。
[0024]圖3為實(shí)施例2中ITO玻璃襯底上制備的二氧化釩薄膜在2000nm處的熱滯回線圖。
[0025]圖4為實(shí)施例3中石英玻璃襯底上制備的二氧化釩薄膜室溫和高溫透射光譜圖。
[0026]圖5為實(shí)施例4中石英玻璃襯底上制備的摻鎢二氧化釩薄膜室溫和高溫透射光譜圖。
[0027]圖6為實(shí)施例4中石英玻璃襯底上制備的摻鎢二氧化釩薄膜在2000nm處的熱滯回線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為使本發(fā)明的內(nèi)容、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而本發(fā)明不僅限于以下實(shí)施例。
[0029]實(shí)施例1
[0030]在石英玻璃基片上制備多孔結(jié)構(gòu)二氧化釩薄膜，具體步驟如下:
[0031]I)清洗玻璃基片，過(guò)程如下:先用清潔劑清洗玻璃表面，再用蒸餾水漂洗并烘干，然后用丙酮超聲清洗30min，最后放入無(wú)水乙醇中超聲清洗30min，烘干備用。
[0032]2)采用磁控濺射法，在上述玻璃基片上制備V/C復(fù)合薄膜，將石英玻璃基片固定于基片臺(tái)上，放入金屬釩靶(純度99.99%)和石墨靶(純度99.9%)，先抽低真空，然后開(kāi)分子泵精抽至3.0X 10_3Pa。通入氬氣(純度99.999% )至腔內(nèi)氣壓IPa，保持穩(wěn)定。金屬釩靶采用直流濺射，石墨靶采用射頻濺射。設(shè)定直流靶濺射功率為77W，射頻靶濺射功率為IlOffo釩靶和碳靶共濺射時(shí)間為5min。鍍膜V/C復(fù)合薄膜40nm之后將薄膜取出。
[0033]3)將濺射得到的摻C金屬釩膜置于管式退火爐中，關(guān)閉爐門(mén)，設(shè)定5°C /min的升溫速率升溫至600°C，保溫lh，然后讓退火爐自然冷卻至100°C以下，取出爐內(nèi)樣品。
[0034]4)對(duì)樣品進(jìn)行高低溫透過(guò)率測(cè)試，通過(guò)透射譜可以發(fā)現(xiàn)，室溫時(shí)二氧化釩薄膜紅外透過(guò)率較高，這是因?yàn)槎趸C在室溫時(shí)是單斜結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體類似，載流子濃度低，自由載流子吸收很弱，紅外透過(guò)率高；當(dāng)溫度上升到超過(guò)相變溫度之后，二氧化釩發(fā)生相變，由單斜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇Y(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)與金屬類似，載流子濃度高，自由載流子吸收強(qiáng)，紅外透過(guò)率低。在2000nm處，高、低溫透過(guò)率差為45%，紅外調(diào)節(jié)效率高。在可見(jiàn)光波段峰值透過(guò)率均在70%以上。
[0035]實(shí)施例2
[0036]在ITO玻璃基片上制備多孔結(jié)構(gòu)