專利名稱：一種提高二氧化釩薄膜熱色特性的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于功能材料和薄膜技術領域，涉及一種提高二氧化釩薄膜熱色特性的方法，具體涉及一種利用真空傾斜沉積技術在襯底上制備二氧化釩雕塑薄膜的方法。
背景技術：
二氧化釩是一種相變材料，它包含A相，B相，C相，R相，M相，其中M相和R相在68度時會發(fā)生從紅外透明的半導體態(tài)(M相)到紅外 不透明的金屬態(tài)(R相)發(fā)生轉變，伴隨著光學，電學，磁學性能的突變。利用這些變化其可以廣泛應用智能節(jié)能窗，溫控開關，熱敏電阻，光存儲，紅外防護等領域。因此，對于二氧化釩薄膜的研究具有十分重要的科學價值和現(xiàn)實意義。在能源供應日趨緊張的今天，二氧化釩薄膜在智能節(jié)能窗的應用更受到大家的青睞。然而，二氧化釩薄膜用于智能窗存在至少兩個嚴重的缺陷(1)可見光透過率不高；(2)紅外調節(jié)率不夠理想，即熱色性能不夠理想。因此，盡管制備二氧化釩薄膜的方法很多，也有很多技術來彌補這兩項不足，但是效果仍然不夠理想。Xu等人(Appl.Surf.Sc1. 2005, 244:449-452)通過降低薄膜厚度來提高透過率，但是同時又降低了薄膜的熱色特性。Granqvist 等人(Sol. Energy Mater. 1987，16:347-363)在二氧化鑰;薄膜上添加減反層來提高透過率，但是二氧化f凡薄膜的熱色特性顯著降低。Chen等人(J. Non-Cryst.Solid. 2004, 347:138-143)通過在溶膠中添加低折射率的SiO2溶膠來提高透過率和改善熱色性能。Gao等人(ACS Appl. Mater.1nterfaces 2011，3:135-138)通過在f凡溶液中添加可形成多孔結構的聚合物來提高二氧化釩薄膜的可見光透過率和熱色行為。他們的研究結果表明通過改變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見光透過率和熱色性能的。然而對于物理氣相沉積方法而言，還沒有報道通過調節(jié)二氧化釩薄膜的孔隙率和各向異性來達到提高可見光透過率和改善熱色性能的目的。

發(fā)明內容
為了解決傳統(tǒng)物理氣相沉積法制備二氧化釩薄膜存在的可見光透過率低和熱色性能不理想的問題，同時豐富二氧化釩薄膜的制備技術，本發(fā)明提供了一種操作簡單，易于實現(xiàn)的提高二氧化釩薄膜熱色特性的生長二氧化釩薄膜方法。在本發(fā)明中，利用傾斜沉積技術來實現(xiàn)改變二氧化釩薄膜的折射率和孔隙率的目的，利用雕塑結構的各向異性，提高其可見光透過率和改善熱色性能。在傾斜沉積技術中，通過改變襯底的傾斜角度和旋轉速度，可以得到不同孔隙率的二氧化釩薄膜，根據(jù)Kinosita公式，其中ns為襯底折射率，nv為孔隙的折射率，η為二氧化釩薄膜的折射率，P為孔隙率。n=pns+(l-p)nv根據(jù)孔隙率的不同，二氧化釩薄膜的折射率就會不同，從而實現(xiàn)折射率的可調性。利用二氧化釩薄膜折射率的可調性對其進行減反層設計，就可以極大的提高可見光透過率。此外，由于二氧化釩薄膜特殊的雕塑結構對光線具有一定的分離作用，即各向異性透射特性，因此可以很好的改善二氧化釩薄膜在半導體相和金屬相時的紅外透過率，從而改善熱色性能。
本發(fā)明提高二氧化釩薄膜熱色性能的方法，步驟為(I)利用真空傾斜沉積技術在基底上制備具有雕塑結構的二氧化釩薄膜，利用雕塑結構的多孔性和各向異性調控二氧化釩薄膜的光學性能和熱色性能，(2)通過后期熱處理提高二氧化釩薄膜的結晶特性。
所述真空傾斜沉積技術是利用薄膜沉積過程中基片的角度在三維空間中0-90度傾斜和0-360度旋轉實現(xiàn)的。真空傾斜沉積技術選自磁控濺射法或電子束蒸發(fā)，離子束蒸發(fā)，激光脈沖沉積法等物理氣相沉積法。
所述雕塑結構是指通過調整基底不同傾角和旋轉速度而得到的獨特結構，如0-90 度傾斜的柱狀結構，螺旋結構，樹枝狀結構，之字型結構，C型結構，Y型結構中的至少一種。
所述真空傾斜沉積技術中二氧化釩薄膜膜料選自于釩靶或顆粒，五氧化二釩靶或顆粒，四氧化二釩靶或顆粒，三氧化二釩靶或顆粒，二氧化釩靶或顆粒中的至少一種。
所述基底選自石英玻璃，硼硅玻璃，導電玻璃，不銹鋼中的至少一種。
本發(fā)明中后期熱處理是指在真空中或氬氣、氮氣、氫氣、氫/氬混合氣、氧氣或空氣氣氛中，在400-600度下退火30分鐘-10小時。
本發(fā)明所需各種原料可以通過市售商品和傳統(tǒng)化學轉化方式合成。
本發(fā)明所制備的二氧化釩薄膜折射率和孔隙率可調，可見光透過率和熱色性能都得到極大的改善，可用于節(jié)能窗，溫控開關，光存儲，紅外防護，熱敏電阻等領域。



圖1是真空傾斜沉積技術示意圖
圖2是真空傾斜沉積技術制備的二氧化釩薄膜雕塑結構示意圖具體實施方式
以下結合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
實施例1:
在電子束蒸發(fā)設備的腔室中，調節(jié)基底與蒸發(fā)源的角度至20度，以五氧化二釩顆粒為膜料，基底溫度為室溫，氧分壓為2*10_3Pa時，在石英基底上沉積二氧化釩薄膜，沉積后的薄膜在氫/氬氣的混合氣氛中，經(jīng)過600度30分鐘熱處理，即得到斜柱狀的二氧化釩薄膜。
實施例2
在激光脈沖沉積設備的腔室中，調節(jié)基底與蒸發(fā)源的角度至O度同時使基底自轉速度為256轉每分鐘，以四氧化二釩顆粒為膜料，基底溫度為室溫，氧分壓為2. 5*10_3Pa時， 在硼硅玻璃基底上沉積二氧化釩薄膜，沉積后的薄膜在氬氣的氣氛中，經(jīng)過500度I小時熱處理，即得到螺旋狀的二氧化釩薄膜。
實施例3
在電子束蒸發(fā)設備的腔室中，調節(jié)基底與蒸發(fā)源的角度至80度同時使基底自轉速度為64轉每分鐘，以三氧化二釩顆粒為膜料，基底溫度為室溫，氧分壓為3*10_3Pa時，在FTO導電玻璃基底上沉積二氧化釩薄膜，沉積后的薄膜在空氣/氮氣的混合氣氛中，經(jīng)過400度10小時熱處理，即得到C型的二氧化釩薄膜。實施例4 在磁控濺射設備的腔室中，調節(jié)基底與蒸發(fā)源的角度至O度，二氧化釩顆粒為膜料，基底溫度為室溫，氧分壓為3*10_3Pa時，在不銹鋼基底上沉積一層厚度約為IOOnm的氧化釩薄膜后，使基底傾斜至50度，再沉積一層50nm的二氧化釩薄膜，之后使基底旋轉180度后再沉積一層50nm的二氧化釩薄膜，沉積后的薄膜在空氣/氮氣的混合氣氛中，經(jīng)過500度2h小時熱處理，即得到Y型的二氧化釩薄膜。實施例5 在離子束濺射設備的腔室中，調節(jié)基底與蒸發(fā)源的角度至70度，二氧化釩顆粒為 膜料，基底溫度為室溫，氧分壓為3*10_3Pa時，在石英基底上沉積一層厚度約為IOOnm的二氧化釩薄膜后，使基底傾斜至O度，再沉積一層50nm的二氧化硅薄膜，沉積后的薄膜在空氣/氮氣的混合氣氛中，經(jīng)過500度2h小時熱處理，即得到以二氧化硅為減反層的二氧化釩雕
塑薄膜。
權利要求
1.一種提高二氧化釩薄膜熱色特性的方法，其特征在于步驟為(1)利用真空傾斜沉積技術在基底上制備具有雕塑結構的二氧化釩薄膜，利用雕塑結構的多孔性和各向異性調控二氧化釩薄膜的光學性能和熱色性能；(2)通過后期熱處理提高二氧化釩薄膜的結晶特性。
2.根據(jù)權利要求1所述的提高二氧化釩薄膜熱色特性的方法，其特征在于所述真空傾斜沉積技術是利用薄膜沉積過程中基片的角度在三維空間中0-90度傾斜和0-360度旋轉實現(xiàn)的。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的提高二氧化釩薄膜熱色特性的方法，其特征在于所述真空傾斜沉積技術選自磁控濺射法，或電子束蒸發(fā)，離子束蒸發(fā)，激光脈沖沉積法。
4.根據(jù)權利要求1所述的提高二氧化釩薄膜熱色特性的方法，其特征在于所述雕塑結構是指通過調整基底不同傾角和旋轉速度而得到的獨特結構，選自0-90度傾斜的柱狀結構，螺旋結構，樹枝狀結構，之字型結構，C型結構，Y型結構中的至少一種。
5.根據(jù)權利要求1所述的提高二氧化釩薄膜熱色特性的方法，其特征在于所述真空傾斜沉積技術中二氧化釩薄膜膜料選自釩靶或顆粒，五氧化二釩靶或顆粒，四氧化二釩靶或顆粒，三氧化二釩靶或顆粒，二氧化釩靶或顆粒中的至少一種。
6.根據(jù)權利要求1所述的提高二氧化釩薄膜熱色特性的方法，其特征在于所述后期熱處理是指在真空中或氬氣、氮氣、氫氣、氫/氬混合氣、氧氣或空氣氣氛中，在400-600度下退火30分鐘-10小時。
7.根據(jù)權利要求1所述的提高二氧化釩薄膜熱色特性的方法，其特征在于所述基底選自石英玻璃，硼硅玻璃，導電玻璃，不銹鋼中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高二氧化釩薄膜熱色特性的方法，其特征在于利用真空傾斜沉積技術在基底上制備具有雕塑結構的二氧化釩薄膜，利用雕塑結構的多孔性和各向異性調控二氧化釩薄膜的光學性能和熱色性能，然后通過后期熱處理提高二氧化釩薄膜的結晶特性。該方法制備的薄膜可以廣泛應用智能節(jié)能窗，溫控開關，熱敏電阻，光存儲，紅外防護等領域。
文檔編號C23C14/08GK102994951SQ20121045444
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權日2012年11月13日
發(fā)明者肖秀娣, 徐剛, 孫耀明, 程浩亮 申請人:中國科學院廣州能源研究所