波紋結(jié)構二氧化釩薄膜及其制備方法
【專利摘要】波紋結(jié)構二氧化釩薄膜及其制備方法，本發(fā)明涉及二氧化釩薄膜及其制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的VO2薄膜在可見光區(qū)的透過率低的技術問題，本發(fā)明的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜，由基片和附著在基片表面的二氧化釩層組成，其中二氧化釩層的表面形貌呈波紋狀。制法：一、利用射頻磁控濺射方法在基片表面制備V2O5薄膜；二、熱處理使V2O5轉(zhuǎn)變成VO2薄膜；三、離子束濺射自組裝，得到波紋結(jié)構的VO2薄膜。本發(fā)明的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜在見光透過率最高接近70％，可作為智能窗使用，而且薄膜具有重復率高，方法簡單的特點，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】波紋結(jié)構二氧化釩薄膜及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及二氧化釩薄膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]太陽光能量是取之不盡用之不竭的能源，其中，45%是可見光，49%是紅外光，由于智能可控的高性能材料發(fā)展滯 后，對可見光的開發(fā)利用率不是很高，所以能有效的發(fā)掘一種利用太陽光能量的功能材料成為新材料技術發(fā)展的當務之急。另外當今社會近30~40%能源用于建筑物加熱、制冷、通風和照明等用途，空調(diào)的使用是消耗能量最大的部分。通過玻璃進行室內(nèi)室外能量交換是有效節(jié)約能源的關鍵領域，在建筑物玻璃上涂上薄膜材料，在不同條件下控制太陽能輻射量的輸入是一種有效節(jié)約能源的策略。VO2是一種具有熱致相變性能的金屬氧化物，相變時具有在單斜結(jié)構和四方結(jié)構之間轉(zhuǎn)變的特性，并且這種變換是一種高速可逆的相變。VO2薄膜的一個重要性質(zhì)就是發(fā)生可逆金屬一半導體相變(簡稱M-S相變)的溫度較低(68°C )，并且發(fā)生相變的同時電學和光學性能發(fā)生突變，在光學性能中，其在低溫時，半導體相紅外透過率到70 %，而在高溫金屬相紅外透過率接近O %，使其成為理想的智能玻璃涂層材料。為了能夠?qū)嶋H應用要求VO2薄膜的可見光透過率應該達到60%以上，然而現(xiàn)有制備的VO2薄膜可見光透過率普遍都小于45%，限制了其應用。近年來大量的研究者通過摻雜Mg、F等元素、和在VO2表面增加減反膜SiO2或者TiO2提高可見光透過率，另外一些研究者也通過制備帶孔的VO2薄膜來提高可見光透過率。然而以上提高可見光透過率的方法過于復雜，增加了制備成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的VO2薄膜在可見光區(qū)的透過率低的技術問題，而提供一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備方法。
[0004]本發(fā)明的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜，由基片和附著在基片表面的二氧化釩層組成，其中二氧化釩層的表面形貌呈波紋狀。
[0005]上述的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備方法按以下步驟進行:
[0006]一、利用射頻磁控濺射方法在基片表面制備V2O5薄膜；
[0007]二、將步驟一制備的V2O5薄膜通過熱處理，得到VO2薄膜；
[0008]三、將VO2薄膜送至離子束濺射室，抽真空至真空度為5.0X 10_4~9.0X 10_4Pa后通入氬氣，使真空度為2.0X10_2~8.0X10_2Pa，VO2薄膜的溫度為室溫，在放電電壓60~70V、放電電流0.1A、粒子束流電壓0.8~ΙΚν、加速電壓200~260V、加速電流2~4mA、燈絲電流為6~8A的條件下離子束派射,派射時間20min~40min,得到波紋結(jié)構二氧化鑰;薄膜。
[0009]本發(fā)明首先通過射頻磁控濺射技術制備具有熱致相變性能的VO2薄膜，然后再利用低能離子束輻照技術自組裝制備出波紋結(jié)構的VO2薄膜，該薄膜有熱致相變性能，其相變溫度為55~57°C，而且其可見光透過率最高接近70%，高可見光透過率的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜使其能夠滿足智能窗的應用，而且薄膜具有高重復率，制備方法簡單的特點，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是試驗I制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的XRD譜圖；
[0011]圖2是試驗I制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的AFM圖；
[0012]圖3是圖2的自相關圖；
[0013]圖4是試驗I的步驟二中制備的VO2薄膜的AFM照片(離子束輻照前)；
[0014]圖5是試驗I制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的變溫電阻曲線圖；
[0015]圖6是試驗I制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜透過率曲線； [0016]圖7是試驗2制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的XRD譜圖；
[0017]圖8是試驗2制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的AFM圖；
[0018]圖9是試驗2制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的變溫電阻曲線圖；
[0019]圖10試驗2制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的透過率曲線。
【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一:本實施方式的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜，由基片和附著在基片表面的二氧化釩層組成，其中二氧化釩層的截面呈波紋狀。
[0021]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是，基片為玻璃、石英或娃。其它與【具體實施方式】一相同。
[0022]【具體實施方式】三:【具體實施方式】一所述的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備方法按以下步驟進行:
[0023]一、利用射頻磁控濺射方法在基片表面制備V2O5薄膜；
[0024]二、將步驟一制備的V2O5薄膜通過熱處理，得到VO2薄膜；
[0025]三、將VO2薄膜送至離子束濺射室，抽真空至真空度為5.0X 10_4~9.0X 10_4Pa后通入氬氣，使真空度為2.0X10_2~8.0X10_2Pa，VO2薄膜的溫度為室溫，在放電電壓60~70V、放電電流0.1A、粒子束流電壓0.8~ΙΚν、加速電壓200~260V、加速電流2~4mA、燈絲電流為6~8A的條件下離子束派射,派射時間20min~40min,得到波紋結(jié)構二氧化鑰;薄膜。
[0026]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】三不同的是步驟一中的V2O5薄膜的制備具體如下:
[0027]a、將純度為99.99%的V2O5靶材固定在射頻磁控濺射設備的陰極上，把潔凈的基片置于正對靶面的陽極上，靶和襯底間距為4~7cm ;
[0028]b、系統(tǒng)抽真空至6.0X 10_4Pa后充入氬氣與氧氣的混合氣使系統(tǒng)的真空度為
1.2 ~2.4Pa, Q2Zkr 為 0.5%~2% ；
[0029]C、將基片加熱至350~450°C，在濺射功率為90~150W、偏壓為100~150V的條件下派射60~180min,得到V2O5薄膜。其它與【具體實施方式】三相同。
[0030]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】三或四不同的是步驟二中熱處理的具體步驟如下:[0031]a、將V2O5薄膜放入熱處理室中，抽真空至O~10Pa，然后通過純度為99.995%氮氣保護，氮氣流量為IOsccm;
[0032]b、將V2O5薄膜以5~15°C /min的升溫速率升至400~450°C進行熱處理，保溫時間為2~6h，自然冷卻至室溫，得到VO2薄膜。其它與【具體實施方式】三或四相同。
[0033]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】三至五之一不同的是步驟三中離子束派射時，放電電壓為65V。其它與【具體實施方式】三至五之一相同。
[0034]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】三至六之一不同的是步驟三中離子束濺射時，粒子束流電壓0.9KV。其它與【具體實施方式】三至六之一相同。
[0035]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】三至七之一不同的是步驟三中離子束濺射時，加速電壓250V。其它與【具體實施方式】三至七之一相同。
[0036]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】三至八之一不同的是步驟三中離子束濺射時，加速電流3mA。其它與【具體實施方式】三至八之一相同。
[0037]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】三至九之一不同的是步驟三中離子束濺射時，燈絲電流為7A。其它與【具體實施方式】三至九之一相同。
[0038]用下面的試驗驗證本發(fā)明的有益效果:
[0039]試驗1:本試驗利用F幾560高真空磁控濺射與離子束聯(lián)合濺射設備進行究波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制 備，具體方法按以下步驟進行:
[0040]一、先利用射頻磁控濺射方法制備V2O5薄膜:
[0041]a、將純度為99.99%的V2O5靶材固定在FJL560高真空磁控濺射與離子束聯(lián)合濺射設備的陰極上，把潔凈的玻璃基片置于正對靶面的樣品臺上，靶和襯底間距為5cm ；
[0042]b、將濺射室抽真空至6.0X 10_4Pa后充入氬氣與氧氣的混合氣使系統(tǒng)的真空度為
1.2Pa，其中 02/Ar % 1% ；
[0043]C、將玻璃基片加熱至450°C，在濺射功率為120W、偏壓為100V的條件下濺射120min,停止濺射，使其自然冷卻至室溫，得到V2O5薄膜；
[0044]二、將步驟一制備的V2O5薄膜通過熱處理，轉(zhuǎn)變成VO2薄膜:
[0045]a、將FJL560高真空磁控濺射與離子束聯(lián)合濺射設備的濺射室抽真空至6Pa，然后通過質(zhì)量純度為99.995%氮氣保護，氮氣流量為IOsccm ；
[0046]b、將樣品臺上的V2O5薄膜，以升溫速率5°C /min將溫度升至450°C并保持4h，自然冷卻至室溫，得到VO2薄膜；
[0047]三、在濺射室與離子束室真空相同的條件下，將VO2薄膜通過傳遞裝置送入離子束濺射室中，抽真空使真空度達到9.0 X 10_4Pa后通入氬氣，使真空度為6.0 X 10_2Pa，VO2薄膜的溫度為室溫，在放電電壓60V、放電電流0.1A、粒子束流電壓ΙΚν、加速電壓200V、加速電流2mA、燈絲電流為8A的條件下，輻照時間20min，得到波紋結(jié)構二氧化釩薄膜。
[0048]本試驗制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的XRD譜圖如圖1所示，從圖1可以看出，樣品在18.3°有明顯的衍射峰，其與VO2 (M)標準卡片的衍射峰相同，表明所制備薄膜為乂02薄膜，且具有明顯的擇優(yōu)取向生長。本試驗制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的AFM圖如圖2所示，從圖2可以看出，該基底上的二氧化釩層具有波紋結(jié)構，為了更明顯的看出波紋結(jié)構，給出了圖2的AFM自相關圖如圖3所示，可以更明顯的看出它的波紋結(jié)構。
[0049]同時給出了本試驗步驟二中制備的VO2薄膜的AFM照片如圖4所示，從圖4可以看出，經(jīng)過熱處理得到的VO2薄膜表面粒子排列混亂無序，對比圖4和圖2和3可知，通過低能離子束輻照處理，使玻璃基片表面的二氧化釩粒子自組裝，得到這種波紋結(jié)構。
[0050]本試驗制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜，二氧化釩膜層的厚度為300nm。
[0051]本試驗制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的變溫電阻曲線如圖5所示，其中a為升溫時的電阻變化情況，b為降溫時的電阻變化情況，從圖5可以看出，薄膜具有明顯的熱致相變特性，相變溫度為55°C，在相變溫度時，電阻突變接近2個數(shù)量級。
[0052]本試驗制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的透過率曲線如圖6所示，從圖6可以看出，該薄膜在可見光區(qū)的透過率達到55%~70%。
[0053]試驗2:試驗1:本 試驗利用FJL560高真空磁控濺射與離子束聯(lián)合濺射設備進行究波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備，具體方法按以下步驟進行:
[0054]一、先利用射頻磁控濺射方法制備V2O5薄膜:
[0055]a、將純度為99.99%的V2O5靶材固定在射頻磁控濺射設備的陰極上，把潔凈的基片置于正對靶面的陽極上，靶和襯底間距為6cm ；
[0056]b、系統(tǒng)抽真空至6.0X 10_4Pa后充入氬氣與氧氣的混合氣使系統(tǒng)的真空度為
2.0Pa, Q2Zkr 為 1.5% ;
[0057]C、將基片加熱至400°C，在濺射功率為150W、偏壓為150V的條件下濺射160min，得
到V2O5薄膜；
[0058]二、將步驟一制備的V2O5薄膜通過熱處理，轉(zhuǎn)變成VO2薄膜:
[0059]a、將FJL560高真空磁控濺射與離子束聯(lián)合濺射設備的濺射室抽真空至9Pa，然后通過質(zhì)量純度為99.995%氮氣保護，氮氣流量為IOsccm ；
[0060]b、將樣品臺上的V2O5薄膜，以升溫速率5°C /min將溫度升至430°C并保持5h，自然冷卻至室溫，得到VO2薄膜；
[0061]三、在濺射室與離子束室真空相同的條件下，將VO2薄膜通過傳遞裝置送入離子束濺射室中，抽真空使真空度達到8.0 X 10_4Pa后通入氬氣，使真空度為8.0 X W2Pa, VO2薄膜的溫度為室溫，在放電電壓70V、放電電流0.1A、粒子束流電壓0.8Kv、加速電壓260V、加速電流3mA、燈絲電流為8A的條件下,福照時間30min,得到波紋結(jié)構二氧化I凡薄膜。
[0062]本試驗制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的XRD譜圖如圖7所示，從圖7可以看出，樣品在18.3°有明顯的衍射峰，其與VO2 (M)標準卡片的衍射峰相同，表明所制備薄膜為乂02薄膜，且具有明顯的擇優(yōu)取向生長。
[0063]本試驗制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的AFM圖如圖8所示，從圖8可以看出，該基底上的二氧化釩層具有波紋結(jié)構。
[0064]本試驗制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的變溫電阻圖如圖9所示，其中a為升溫時的電阻變化情況，b為降溫時的電阻變化情況，從圖9可以看出，薄膜具有明顯的熱致相變特性，相變溫度為57°C，在接近相變溫度時電阻發(fā)生突變，突變數(shù)量級接近2。
[0065]本試驗制備的波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的透過率曲線如圖10所示，從圖10可以看出，該薄膜在可見光區(qū)的透過率達到60%~70%。
【權利要求】
1.一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜，其特征在于該薄膜由基片和附著在基底表面的二氧化釩層組成，其中二氧化釩層的表面形貌呈波紋狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜，其特征在于基片為玻璃、石英或硅。
3.制備權利要求1所述的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的方法，其特征在于該方法按以下步驟進行: 一、利用射頻磁控濺射方法在基片表面制備V2O5薄膜； 二、將步驟一制備的V2O5薄膜通過熱處理，得到VO2薄膜； 三、將VO2薄膜送至離子束濺射室，抽真空至真空度為5.0X 10_4~9.0X 10_4Pa后通入氬氣，使真空度為2.0X 10_2~8.0X 10_2Pa，VO2薄膜的溫度為室溫，在放電電壓60~70V、放電電流0.1A、粒子束流電壓0.8~ΙΚν、加速電壓200~260V、加速電流2~4mA、燈絲電流為6~8A的條件下離子束派射，派射時間20min~40min,得到波紋結(jié)構二氧化f凡薄膜。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備方法，其特征在于步驟一中的V2O5薄膜的制備方法按以下步驟進行: a、將純度為99.99%的V2O5靶材固定在射頻磁控濺射設備的陰極上，把潔凈的基片置于正對靶面的陽極上，靶和襯底間距為4~7cm ; b、系統(tǒng)抽真空至6.0X10_4Pa后充入氬氣與氧氣的混合氣使系統(tǒng)的真空度為1.2~2.4Pa, Q2Zkr 為 0.5%~ 2% ； C、將基片加熱至350~450°C，在濺射功率為90~150W、偏壓為100~150V的條件下濺射60~180min，得到V2O5薄膜。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備方法，其特征在于步驟二中熱處理按以下步驟進行: a、將V2O5薄膜放入熱處理室中，抽真空至O~10Pa，然后通過純度為99.995%氮氣保護，氮氣流量為IOsccm ； b、將V2O5薄膜以5~15°C/min的升溫速率升至400~450°C進行熱處理，保溫時間為2~6h，自然冷卻至室溫，得到VO2薄膜。
6.根據(jù)權利要求3、4或5所述的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備方法，其特征在于步驟三中離子束濺射時，放電電壓為65V。
7.根據(jù)權利要求3、4或5所述的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備方法，其特征在于步驟三中離子束濺射時，粒子束流電壓0.9KV。
8.根據(jù)權利要求3、4或5所述的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備方法，其特征在于步驟三中離子束濺射時，加速電壓250V。
9.根據(jù)權利要求3、4或5所述的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備方法，其特征在于步驟三中離子束濺射時，加速電流3mA。
10.根據(jù)權利要求3、4或5所述的一種波紋結(jié)構二氧化釩薄膜的制備方法，其特征在于步驟三中離子束濺射時，燈絲電流為7A。
【文檔編號】C23C14/35GK103981501SQ201410230674
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權日:2014年5月28日
【發(fā)明者】王銳, 張昱屾, 吳曉宏, 李楊, 仇兆忠 申請人:哈爾濱工業(yè)大學