智能窗用钨掺杂VO2薄膜的可控制备与性能研究

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VO2是一种热致变色材料,在临界温度(68°C)时会发生可逆的金属-半导体相变,并伴随着光学性能、电学性能及其他性能的突变。基于该特性,VO2在温度传感、光开关、激光防护、光存储、智能窗等领域具有重要的应用价值。作为智能窗用温控涂层的首选材料,VO2薄膜基于环境温度变化对太阳热辐射(近红外波段)具有良好温控效果。但是,由于可见光透过率低和通过元素掺杂等手段降低相变温度时伴随的热色变性能减弱等问题,严重限制了VO2在智能窗领域的规模应用。因此在提升可见光透过率、降低相变温度的前提下制备出热色性能优异的VO2薄膜是目前国内外研究的热点问题。本文以国内外报道的成本低廉、方法简单的V2O5-H2O2溶胶体系为基础,采用旋涂-氨热还原方法制得了热致变色性能优异的多孔VO2薄膜。在上述基础上,本文首次利用高能球磨技术对V2O5/W混合粉末进行预处理,得到钨掺杂VO2薄膜。通过变温UV-Vis-NIR光谱评测了薄膜的热色变性能;XRD、SEM等表征手段评测了薄膜的晶体结构和表面形貌,探究了钨掺杂薄膜的性能和结构之间的关系。最后,探索了改变氨热还原方法工艺参数对VO2薄膜结构和性能的影响。获得的主要结果如下:(1)以V2O5-H2O2体系制备溶胶,通过氨热还原的方法制备出多孔的纯M相VO2薄膜,拥有优异的热色变性能。获得的最优性能如下:可见光透过率Tvis-max达到70.3%,积分可见光透过率Tlum达到53.3%,太阳光调控效率?Tsol为8.2%。(2)首次引入高能球磨处理,能有效实现W原子替代V原子掺杂而降低薄膜的相变温度。当掺杂量达到2 at.%时,VO2薄膜的Tmit降至28°C。钨掺杂能够降低VO2相转变过程中纳米颗粒成核和生长的热能壁垒,使得薄膜的表面形貌发生演变。由于钨掺杂薄膜的多孔结构,其积分可见光透过率仍然保持在50%以上(1 at.%W:Tlum=50.8%;2 at.%W:Tlum=50.6%)。但是,由于元素掺杂破坏VO2的晶体结构,薄膜的热色变性能下降(1 at.%W,?Tsol=5.6%),掺杂量增加后,其太阳光能量调控效率进一步下降(2 at.%W,?Tsol=3.5%)。(3)在过量NH3气氛中延长退火保温时间至24小时制备的VO2薄膜在可见光波段表现出更高的透过率,其积分可见光透过率Tlum达到66.5%,而且相变温度降低至43°C。根据现有测试手段和其他研究者的成果,我们推测可能是由于N原子替代O原子位置进入VO2晶格,有利于O2p轨道与V3d轨道之间带隙的宽化,从而减少VO2对小于500 nm光波的本征吸收,同时弱化V-V二聚体间的相互作用进而使禁带变窄,降低VO2相变温度。
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