本發(fā)明屬于功能材料和薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)全球經(jīng)濟高速發(fā)展，國際競爭日益激烈，而新時代的競爭則是科技與能源的競爭，因此能源成為了人類重點關(guān)注的問題，“節(jié)能減排”和“低碳行動”也成為了21世紀(jì)的時代主題。建筑是關(guān)系人類衣食住行和支撐社會發(fā)展的重要組成部分，在社會中占有很大的比重，建筑能耗在社會總體能耗中占據(jù)的比例高達百分之34％，因此建筑能耗就成為了“節(jié)能減排”的主要研究方向之一。通過研究與模擬測試發(fā)現(xiàn)，一棟建筑所消耗的能量約有一半以上用于房屋的保溫，即夏季降溫和冬季采暖，因此減少這一部分的能耗具有重要的意義。在一棟建筑中，建筑屋面和外墻的熱傳導(dǎo)系數(shù)限值不超過0.6w/(m².k)，而建筑用玻璃的熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.4～3.0w/(m².k)，現(xiàn)代房屋建設(shè)中為了增加室內(nèi)采光，傾向采用大面積的玻璃幕墻和落地窗，窗玻璃成為室內(nèi)與室外熱量傳遞的主要途徑之一，不僅不利于室內(nèi)溫度的保持，而且增加了建筑能耗。因此，研究發(fā)展智能窗玻璃，減少窗玻璃對于熱量的傳遞，是降低建筑能耗的主要方向之一。

二氧化釩是一種相變材料，其m相和r相在68℃會發(fā)生由紅外透明的半導(dǎo)體相(m)到紅外不透明的金屬相(r相)的轉(zhuǎn)變，伴隨著光學(xué)，電學(xué)和磁學(xué)性能的突變，這些特性變化可利用于智能窗、熱敏感電阻、衛(wèi)星鏡頭激光防護、溫控開關(guān)、光存儲等領(lǐng)域。但是二氧化釩具體應(yīng)用于智能窗玻璃還存在以下缺陷：相變溫度遠遠高于室溫。

研究發(fā)現(xiàn)，在二氧化釩中進行元素的摻雜能改變其相變溫度，其中對二氧化釩薄膜進行高價鎢元素的摻雜，高價態(tài)大半徑的鎢離子可以使二氧化釩的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，產(chǎn)生薄膜應(yīng)力，降低二氧化釩的相變溫度效果明顯。利用磁控濺射法制備薄膜，薄膜厚度易于控制，薄膜與基片的附著力較強，純度高，操作簡單，可以在大規(guī)模生產(chǎn)，但很少用于制備鎢摻雜二氧化釩薄膜，這是因為：鎢元素氧化所需的氧氣分壓與釩元素不同，且氧分壓的改變對薄膜元素的化合狀態(tài)影響較大，利用磁控濺射法難以制備出純度較高的高價鎢摻雜中間價態(tài)二氧化釩薄膜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種采用磁控濺射方法制備的鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜及其制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

提供一種鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜，它由以下方法制備得到：采用磁控濺射的方法預(yù)先在基片表面沉積一層五氧化二釩，然后在其上沉積金屬鎢層，最后在鎢層上沉積一層五氧化二釩，形成五氧化二釩/金屬鎢/五氧化二釩混合薄膜，再采用惰性氣氛將金屬鎢氧化為高價鎢，將五氧化二釩還原為二氧化釩，得到鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜。

按上述方案，所述五氧化二釩/金屬鎢/五氧化二釩混合薄膜由基片向上各層厚度分別為70-120nm，10-30nm，70-120nm。

按上述方案，所述鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜相變溫度為30～45℃，可見光透過率為40～58％，紅外光調(diào)節(jié)幅度為20～48％。

本發(fā)明還提供上述鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜的制備方法，其步驟如下：采用磁控濺射的方法預(yù)先在基片表面沉積一層五氧化二釩，然后在其上沉積金屬鎢層，最后在鎢層上沉積一層五氧化二釩，形成五氧化二釩/金屬鎢/五氧化二釩混合薄膜，再采用惰性氣氛將金屬鎢氧化為高價鎢，將五氧化二釩還原為二氧化釩，得到鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜。

具體地，上述鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜的制備方法步驟如下：

1)沉積五氧化二釩層：將磁控濺射儀的反應(yīng)沉積腔抽至本底真空，再分別通入氬氣和氧氣，氬氣流量為10～40sccm，氧氣分壓為0-90％，調(diào)節(jié)工作壓力為0.1～3.0pa，基片溫度為20～25℃，以高純金屬釩為靶材，采用直流磁控濺射技術(shù)，在基片上沉積五氧化二釩層；

2)沉積金屬鎢層：保持反應(yīng)沉積腔內(nèi)本底真空度，再通入氬氣，氬氣流量為10～40sccm，調(diào)節(jié)工作壓力為0.1～3.0pa，基片溫度為20～25℃，以高純金屬鎢為靶材，用直流磁控濺射技術(shù)，在五氧化二釩層上沉積金屬鎢層；

3)沉積五氧化二釩層：保持反應(yīng)沉積腔內(nèi)本底真空度，再分別通入氬氣和氧氣，氬氣流量為10～40sccm，氧氣分壓為0-90％，調(diào)節(jié)工作壓力為0.1～3.0pa，基片溫度為20～25℃，以高純金屬釩為靶材，用直流磁控濺射技術(shù)，在金屬鎢層上沉積五氧化二釩層，在基片表面得到五氧化二釩/金屬鎢/五氧化二釩混合薄膜；

4)制備鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜：將基片置于馬弗爐中，在惰性氣氛下進行退火，在基片表面得到鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜。

按上述方案，步驟1)所述基片為玻璃。

按上述方案，步驟1)所述本底真空的真空度為2×10^﹣5～5×10^﹣5pa。

按上述方案，步驟1)和步驟3)所述高純金屬釩的純度為99.99％；步驟2)所述高純金屬鎢的純度為99.99％。

按上述方案，步驟4)所述退火的工藝條件為：在400～500℃下保溫1～2小時。

優(yōu)選的是，步驟1)所述氧氣的純度為99.99％，氬氣的純度為99.99％。

優(yōu)選的是，步驟1)所述直流磁控濺射技術(shù)中濺射的功率為150～200w。

優(yōu)選的是，步驟2)所述直流磁控濺射技術(shù)中濺射的功率為30～50w。

優(yōu)選的是，步驟3)所述直流磁控濺射技術(shù)中濺射的功率為150～200w。

按上述方案，步驟4)所述惰性氣氛為氮氣或/和氬氣。

本發(fā)明還包括上述鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜在智能窗玻璃方面的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果在于：1、本發(fā)明通過控制五氧化二釩和金屬鎢層的厚度調(diào)控摻雜鎢元素的量，并以較溫和的反應(yīng)條件制備出鎢摻雜二氧化釩薄膜；2、本發(fā)明所制備的鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜不僅相變溫度接近室溫，而且有足夠的可見光透過率和紅外開關(guān)效率，能夠滿足建筑智能窗等實際應(yīng)用的需要。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1所制備的鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜在2000nm紅外光波段處的透過率-溫度相變曲線；

圖2為實施例2所制備的鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜在2000nm紅外光波段處的透過率-溫度相變曲線；

圖3為實施例3所制備的鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜在2000nm紅外光波段處的透過率-溫度相變曲線；

圖4為實施例4所制備的鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜在2000nm紅外光波段處的透過率-溫度相變曲線。

具體實施方式

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

本發(fā)明實施例所用高純金屬釩的純度為99.99％，所用高純金屬鎢的純度為99.99％。所用氧氣的純度為99.99％，氬氣的純度為99.99％。

實施例1

制備鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜，步驟如下：

1)沉積五氧化二釩層：將磁控濺射儀的反應(yīng)沉積腔抽至本底真空(2～5×10^﹣5pa)，再分別通入氬氣和氧氣，氬氣流量為20sccm，氧氣分壓為10％，調(diào)節(jié)工作壓力為1.0pa，基片(玻璃)溫度為室溫(20～25℃)，以高純金屬釩為靶材，采用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為180w，在基片上沉積厚度為100nm的五氧化二釩薄膜；

2)沉積金屬鎢層：保持反應(yīng)沉積腔內(nèi)本底真空度，再通入氬氣，氬氣流量為20sccm，調(diào)節(jié)工作壓力為1.0pa，基片溫度為室溫(20～25℃)，以高純金屬鎢為靶材，用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為30w，在五氧化二釩薄膜上沉積10nm的金屬鎢層；

3)沉積五氧化二釩層：保持反應(yīng)沉積腔內(nèi)本底真空度，再分別通入氬氣和氧氣，氬氣流量為20sccm，氧氣分壓為10％，調(diào)節(jié)工作壓力為1.0pa，基片溫度為室溫(20～25℃)，以高純金屬釩為靶材，用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為180w，在金屬鎢層上沉積厚度為100nm的五氧化二釩層，在基片表面得到五氧化二釩/金屬鎢/五氧化二釩混合薄膜；

4)制備鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜：將基片置于馬弗爐中，在氬氣氣氛下進行退火，退火溫度為400℃，退火時間為1h，在基片表面得到鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜。

本實施例所得樣品的透過率-溫度相變曲線如圖1所示，在25～80℃溫度段內(nèi)，對樣片在升溫和降溫過程中2000nm紅外光波段處的透過率進行測試分析，得出鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜的相變溫度為40℃，可見光透過率為56％，紅外光調(diào)節(jié)幅度為42％。

實施例2

制備鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜，步驟如下：

1)沉積五氧化二釩層：將磁控濺射儀的反應(yīng)沉積腔抽至本底真空(2～5×10^﹣5pa)，再分別通入氬氣和氧氣，氬氣流量為30sccm，氧氣分壓為12％，調(diào)節(jié)工作壓力為0.8pa，基片(玻璃)溫度為室溫，以高純金屬釩為靶材，采用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為150w，在基片上沉積厚度為110nm的五氧化二釩薄膜；

2)沉積金屬鎢層：保持反應(yīng)沉積腔內(nèi)本底真空度，再通入氬氣，氬氣流量為30sccm，調(diào)節(jié)工作壓力為0.8pa，基片溫度為室溫，以高純金屬鎢為靶材，用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為35w，，在五氧化二釩薄膜上沉積20nm的金屬鎢層；

3)沉積五氧化二釩層：保持反應(yīng)沉積腔內(nèi)本底真空度，再分別通入氬氣和氧氣，氬氣流量為30sccm，氧氣分壓為20％，調(diào)節(jié)工作壓力為0.8pa，基片溫度為室溫，以高純金屬釩為靶材，用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為150w，在金屬鎢層上沉積厚度為110nm的五氧化二釩層，在基片表面得到五氧化二釩/金屬鎢/五氧化二釩混合薄膜；

4)制備鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜：將基片置于馬弗爐中，在氬氣氣氛下進行退火，退火溫度為450℃，退火時間為1h，在基片表面得到鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜。

本實施例所得樣品的透過率-溫度相變曲線如圖2所示，在25～80℃溫度段內(nèi)，對樣片在升溫和降溫過程中2000nm紅外光波段處的透過率進行測試分析，得出鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜的相變溫度為42℃，可見光透過率為49％，紅外光調(diào)節(jié)幅度為40％。

實施例3

制備鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜，步驟如下：

1)沉積五氧化二釩層：將磁控濺射儀的反應(yīng)沉積腔抽至本底真空(2～5×10^﹣5pa)，再分別通入氬氣和氧氣，氬氣流量為35sccm，氧氣分壓為14％，調(diào)節(jié)工作壓力為1.0pa，基片(玻璃)溫度為室溫，以高純金屬釩為靶材，采用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為190w，在基片上沉積厚度為120nm的五氧化二釩薄膜；

2)沉積金屬鎢層：保持反應(yīng)沉積腔內(nèi)本底真空度，再通入氬氣，氬氣流量為35sccm，調(diào)節(jié)工作壓力為1.0pa，基片溫度為室溫，以高純金屬鎢為靶材，用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為40w，在五氧化二釩薄膜上沉積30nm的金屬鎢層；

3)沉積五氧化二釩層：保持反應(yīng)沉積腔內(nèi)本底真空度，再分別通入氬氣和氧氣，氬氣流量為35sccm，氧氣分壓為14％，調(diào)節(jié)工作壓力為1.0pa，基片溫度為室溫，以高純金屬釩為靶材，用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為190w，在金屬鎢層上沉積厚度為90nm的五氧化二釩層，在基片表面得到五氧化二釩/金屬鎢/五氧化二釩混合薄膜；

4)制備鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜：將基片置于馬弗爐中，在氬氣氣氛下進行退火，退火溫度為500℃，退火時間為1h，在基片表面得到鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜。

本實施例所得樣品的透過率-溫度相變曲線如圖3所示，在25～80℃溫度段內(nèi)，對樣片在升溫和降溫過程中2000nm紅外光波段處的透過率進行測試分析，得出鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜的相變溫度為34℃，可見光透過率為53％，紅外光調(diào)節(jié)幅度為45％。

實施例4

制備鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜，步驟如下：

1)沉積五氧化二釩層：將磁控濺射儀的反應(yīng)沉積腔抽至本底真空(2～5×10^﹣5pa)，再分別通入氬氣和氧氣，氬氣流量為40sccm，氧氣分壓為12％，調(diào)節(jié)工作壓力為1.0pa，基片(玻璃)溫度為室溫，以高純金屬釩為靶材，采用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為200w，在基片上沉積厚度為80nm的五氧化二釩薄膜；

2)沉積金屬鎢層：保持反應(yīng)沉積腔內(nèi)本底真空度，再通入氬氣，氬氣流量為40sccm，調(diào)節(jié)工作壓力為1.0pa，基片溫度為室溫，以高純金屬鎢為靶材，用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為50w，在五氧化二釩薄膜上沉積20nm的金屬鎢層；

3)沉積五氧化二釩層：保持反應(yīng)沉積腔內(nèi)本底真空度，再分別通入氬氣和氧氣，氬氣流量為40sccm，氧氣分壓為14％，調(diào)節(jié)工作壓力為1.0pa，基片溫度為室溫，以高純金屬釩為靶材，用直流磁控濺射技術(shù)，濺射功率為200w，在金屬鎢層上沉積厚度為120nm的五氧化二釩層，在基片表面得到五氧化二釩/金屬鎢/五氧化二釩混合薄膜；

4)制備鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜：將基片置于馬弗爐中，在氬氣氣氛下進行退火，退火溫度為500℃，退火時間為1h，在基片表面得到鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜。

本實施例所得樣品的透過率-溫度相變曲線如圖4所示，在25～80℃溫度段內(nèi)，對樣片在升溫和降溫過程中2000nm紅外光波段處的透過率進行測試分析，得出鎢摻雜二氧化釩熱致變色薄膜的相變溫度為41℃，可見光透過率為55％，紅外光調(diào)節(jié)幅度為40％。