热色变二氧化钒薄膜的可控制备与相变温度调控研究

摘要

金红石M相二氧化钒(VO2)在68℃可发生半导体-金属相转变（MIT），随着相变的发生，其光学性质会发生明显的可逆变化，因而具有调节太阳光透过率的VO2薄膜是制备高效节能智能窗的理想材料之一。但由于合成困难、可见光透过率低和相变温度较高等问题，目前VO2薄膜在高效节能智能窗上的应用仍未实现。
　　本文以无机溶胶凝胶法制备V2O5溶胶，采用提拉法在石英玻璃基片上镀制掺钨氧化钒薄膜，经高真空退火后得到VO2薄膜。通过变温红外透过、XRD、SEM等表征手段研究了氧分压、退火温度、掺钨量、二次高真空退火等参数变化对薄膜结构、表面形貌、光学性能和相变温度等性能的影响，主要结果如下：
　　（1）氧分压对氧化钒薄膜的晶型和光学性能有重要的影响；在真空度为280 Pa下，形成VO2(B)相；在真空度为260 Pa下，生成VO2(M)相晶体；在真空度为240 Pa下，生成VO2(M)和V2O3晶相的复合晶体；在真空度为220 Pa下，生成V2O3晶体。
　　（2）针对W参杂量为1％的薄膜试样，发现：随着保温温度的升高，V2O5分解加快，550℃条件下制备的试样VO2的XRD衍射峰最强。保温温度对薄膜的各项性能的影响不同；510℃制备的薄膜具有最高的太阳光调制能力，达到了4.9%；530℃条件下制备的薄膜有着最好的光学性能，其25℃条件下的可见光平均透过滤为15.04%，2000 nm处红外调制效率为61.1%；在550℃制备的薄膜相变温度为45.9℃，其相变温度最低。
　　（3）采用无机溶胶凝胶法制备的掺钨二氧化钒薄膜，钨原子有效的实现了替位掺杂，从而实现了降低相变温度的目的。随着钨掺量的增加，二氧化钒薄膜相变温度（TC）逐渐降低。当钨掺量0≦x≦1时，二氧化钒薄膜相变温度以-13.9℃/at.%W的效率降温；当掺钨量为1≦x≦1.5时，二氧化钒薄膜相变温度以-23℃/at.%W的效率降温。
　　（4）本实验采用的二次真空退火法，在较低温度条件下（300℃左右），通过引入氧空位，引起晶格的微小畸变，在基本不降低太阳光调制效率的情况下，降低了二氧化钒薄膜的相变温度。未掺杂试样，相变温度从64.7℃下降到59.8℃，2000nm处调制能力下降1.9%，其太阳光调制效率为3.78%，与二次真空退火处理前相比，基本没发生变化；掺杂量为1%的试样，其相变温度从47.5℃下降到42.8℃，2000 nm处调制能力下降4.8%，其太阳光调制效率为3.38%，基本没发生变化。因此，在基本不降低太阳光调制效率的情况下，利用该方法可以进一步降低掺杂二氧化钒薄膜的相变温度，使得薄膜相变温度接近室温，达到节能智能窗的使用条件。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 二氧化钒晶体结构与特征简介

1.3 二氧化钒薄膜相变机理

1.4 二氧化钒薄膜的应用

1.5 影响二氧化钒相变温度的因素

1.6 二氧化钒薄膜的制备

1.7 论文研究意义、内容及方案

第2章 实验部分

2.1 实验方案

2.2 实验材料和设备

2.3 表征与测试方法

2.4 实验样品的制备

2.5 本章小结

第3章 M相二氧化钒薄膜的制备与性能的表征

3.1 掺杂对溶胶稳定性的影响

3.2 退火氧分压对二氧化钒晶体的影响

3.3保温温度的改变对薄膜各项性能的影响

3.4 本章小结

第4章 钨掺杂对二氧化钒薄膜性能的影响

4.1 钨掺杂对二氧化钒薄膜表面形貌的影响

4.2 钨掺杂对VO2薄膜光学性能的影响

4.3 钨掺杂对VO2薄膜相变温度的影响

4.4 本章小结

第5章 二次真空退火对薄膜相变温度的影响

5.1 实验方案

5.2 二次真空退火对光学性能及相变温度影响

5.3 本章小结

第6章 结论

6.1 本实验研究的创新点和主要成果

6.2 本实验研究中的问题

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的成果