一种提高二氧化钒薄膜热色特性的方法

摘要

本发明涉及一种提高二氧化钒薄膜热色特性的方法，其特征在于利用真空倾斜沉积技术在基底上制备具有雕塑结构的二氧化钒薄膜，利用雕塑结构的多孔性和各向异性调控二氧化钒薄膜的光学性能和热色性能，然后通过后期热处理提高二氧化钒薄膜的结晶特性。该方法制备的薄膜可以广泛应用智能节能窗，温控开关，热敏电阻，光存储，红外防护等领域。

说明书

技术领域

本发明属于功能材料和薄膜技术领域，涉及一种提高二氧化钒薄膜热色特性的方法，具 体涉及一种利用真空倾斜沉积技术在衬底上制备二氧化钒雕塑薄膜的方法。

技术背景

二氧化钒是一种相变材料，它包含A相，B相，C相，R相，M相，其中M相和R相在68 度时会发生从红外透明的半导体态（M相）到红外不透明的金属态（R相）发生转变，伴随着 光学，电学，磁学性能的突变。利用这些变化其可以广泛应用智能节能窗，温控开关，热敏 电阻，光存储，红外防护等领域。因此，对于二氧化钒薄膜的研究具有十分重要的科学价值 和现实意义。

在能源供应日趋紧张的今天，二氧化钒薄膜在智能节能窗的应用更受到大家的青睐。然 而，二氧化钒薄膜用于智能窗存在至少两个严重的缺陷：（1）可见光透过率不高；（2）红外 调节率不够理想，即热色性能不够理想。因此，尽管制备二氧化钒薄膜的方法很多，也有很 多技术来弥补这两项不足，但是效果仍然不够理想。Xu等人（Appl.Surf.Sci.2005,244: 449-452）通过降低薄膜厚度来提高透过率，但是同时又降低了薄膜的热色特性。Granqvist 等人(Sol.Energy Mater.1987,16:347-363)在二氧化钒薄膜上添加减反层来提高透过率， 但是二氧化钒薄膜的热色特性显著降低。Chen等人（J.Non-Cryst.Solid.2004,347: 138-143）通过在溶胶中添加低折射率的SiO₂溶胶来提高透过率和改善热色性能。Gao等人（ACS  Appl.Mater.Interfaces 2011,3:135-138）通过在钒溶液中添加可形成多孔结构的聚合 物来提高二氧化钒薄膜的可见光透过率和热色行为。他们的研究结果表明通过改变薄膜的折 射率和孔隙率是可以在一定程度上改善薄膜的可见光透过率和热色性能的。然而对于物理气 相沉积方法而言，还没有报道通过调节二氧化钒薄膜的孔隙率和各向异性来达到提高可见光 透过率和改善热色性能的目的。

发明内容

为了解决传统物理气相沉积法制备二氧化钒薄膜存在的可见光透过率低和热色性能不理 想的问题，同时丰富二氧化钒薄膜的制备技术，本发明提供了一种操作简单，易于实现的提 高二氧化钒薄膜热色特性的生长二氧化钒薄膜方法。

在本发明中，利用倾斜沉积技术来实现改变二氧化钒薄膜的折射率和孔隙率的目的，利 用雕塑结构的各向异性，提高其可见光透过率和改善热色性能。

在倾斜沉积技术中，通过改变衬底的倾斜角度和旋转速度，可以得到不同孔隙率的二氧 化钒薄膜，根据Kinosita公式，其中n_s为衬底折射率，n_v为孔隙的折射率，n为二氧化钒薄 膜的折射率，p为孔隙率。

n=pn_s+(1-p)n_v

根据孔隙率的不同，二氧化钒薄膜的折射率就会不同，从而实现折射率的可调性。利用 二氧化钒薄膜折射率的可调性对其进行减反层设计，就可以极大的提高可见光透过率。此外， 由于二氧化钒薄膜特殊的雕塑结构对光线具有一定的分离作用，即各向异性透射特性，因此 可以很好的改善二氧化钒薄膜在半导体相和金属相时的红外透过率，从而改善热色性能。

本发明提高二氧化钒薄膜热色性能的方法，步骤为：（1）利用真空倾斜沉积技术在基底 上制备具有雕塑结构的二氧化钒薄膜，利用雕塑结构的多孔性和各向异性调控二氧化钒薄膜 的光学性能和热色性能，（2）通过后期热处理提高二氧化钒薄膜的结晶特性。

所述真空倾斜沉积技术是利用薄膜沉积过程中基片的角度在三维空间中0-90度倾斜和 0-360度旋转实现的。真空倾斜沉积技术选自磁控溅射法或电子束蒸发，离子束蒸发，激光 脉冲沉积法等物理气相沉积法。

所述雕塑结构是指通过调整基底不同倾角和旋转速度而得到的独特结构，如0-90度倾斜 的柱状结构，螺旋结构，树枝状结构，之字型结构，C型结构，Y型结构中的至少一种。

所述真空倾斜沉积技术中二氧化钒薄膜膜料选自于钒靶或颗粒，五氧化二钒靶或颗粒， 四氧化二钒靶或颗粒，三氧化二钒靶或颗粒，二氧化钒靶或颗粒中的至少一种。

所述基底选自石英玻璃，硼硅玻璃，导电玻璃，不锈钢中的至少一种。

本发明中后期热处理是指在真空中或氩气、氮气、氢气、氢/氩混合气、氧气或空气气氛 中，在400-600度下退火30分钟-10小时。

本发明所需各种原料可以通过市售商品和传统化学转化方式合成。

本发明所制备的二氧化钒薄膜折射率和孔隙率可调，可见光透过率和热色性能都得到极 大的改善，可用于节能窗，温控开关，光存储，红外防护，热敏电阻等领域。

附图说明

图1是真空倾斜沉积技术示意图

图2是真空倾斜沉积技术制备的二氧化钒薄膜雕塑结构示意图

具体实施方式

以下结合具体实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不 用于限制本发明的范围。

实施例1：

在电子束蒸发设备的腔室中，调节基底与蒸发源的角度至20度，以五氧化二钒颗粒为膜 料，基底温度为室温，氧分压为2*10^-3Pa时，在石英基底上沉积二氧化钒薄膜，沉积后的薄 膜在氢/氩气的混合气氛中，经过600度30分钟热处理，即得到斜柱状的二氧化钒薄膜。

实施例2：

在激光脉冲沉积设备的腔室中，调节基底与蒸发源的角度至0度同时使基底自转速度为 256转每分钟，以四氧化二钒颗粒为膜料，基底温度为室温，氧分压为2.5*10^-3Pa时，在硼 硅玻璃基底上沉积二氧化钒薄膜，沉积后的薄膜在氩气的气氛中，经过500度1小时热处理， 即得到螺旋状的二氧化钒薄膜。

实施例3：

在电子束蒸发设备的腔室中，调节基底与蒸发源的角度至80度同时使基底自转速度为 64转每分钟，以三氧化二钒颗粒为膜料，基底温度为室温，氧分压为3*10^-3Pa时，在FTO导 电玻璃基底上沉积二氧化钒薄膜，沉积后的薄膜在空气/氮气的混合气氛中，经过400度10 小时热处理，即得到C型的二氧化钒薄膜。

实施例4：

在磁控溅射设备的腔室中，调节基底与蒸发源的角度至0度，二氧化钒颗粒为膜料，基 底温度为室温，氧分压为3*10^-3Pa时，在不锈钢基底上沉积一层厚度约为100nm的氧化钒薄 膜后，使基底倾斜至50度，再沉积一层50nm的二氧化钒薄膜，之后使基底旋转180度后再 沉积一层50nm的二氧化钒薄膜，沉积后的薄膜在空气/氮气的混合气氛中，经过500度2h小 时热处理，即得到Y型的二氧化钒薄膜。

实施例5：

在离子束溅射设备的腔室中，调节基底与蒸发源的角度至70度，二氧化钒颗粒为膜料， 基底温度为室温，氧分压为3*10^-3Pa时，在石英基底上沉积一层厚度约为100nm的二氧化钒 薄膜后，使基底倾斜至0度，再沉积一层50nm的二氧化硅薄膜，沉积后的薄膜在空气/氮气 的混合气氛中，经过500度2h小时热处理，即得到以二氧化硅为减反层的二氧化钒雕塑薄膜。