多孔VO2基薄膜的制备及其热致变色性能研究

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VO2是一种智能热致变色材料,在大约68℃会发生金属-半导体(MST)转变,金属-半导体转变会发生晶型结构的变化,从高温四方结构(R相,P42/mnm)变成低温单斜结构(M相,P21/c),且伴随着电学性能和光学性能的突变。由于这些特性使其具有广泛的应用前景,其中最有潜力的一项是应用于智能玻璃涂层,它可以根据外部环境温度的变化,智能地调节透光率,减少了使用空调等设备控温的额外能耗。尽管VO2薄膜具有一系列优异的性能,使之成为智能窗涂层的首选材料。但是要想其应用于建筑还面临着三大问题,可见光透过率低、辐射率高以及相变温度比室温高。本文围绕提高VO2薄膜可见光透过率、降低相变温度,采用无机溶胶法通过旋涂氨气退火下成功制备了多孔VO2及钨掺杂VO2薄膜,通过了XRD、FE-SEM、三维轮廓仪、紫外可见近红外分光光度计、XPS和Raman等测试,探索制备具有优异热致变色性能薄膜的工艺参数。同时,分析了薄膜在高温透过率图谱上形成吸收峰的原因。主要结果如下:(1)采用V2O5-H2O2溶胶,旋涂于石英玻璃基板上,在氨气中退火成功制备了多孔VO2薄膜,最佳工艺为550oC保温30min时,Tlum(20/90oC)=54.0%/53.9%,ΔTsol=7.0%,可见光透过率达约70%。薄膜形貌呈颗粒多孔连续结构。(2)在V2O5-H2O2溶胶中加入草酸,成功制备了具有更高可见光透过率和良好热致变色性能的多孔VO2薄膜,当溶胶中V2O5:H2C2O4为1:2时,最佳工艺为500oC保温60min,可见光透过率达到80%左右。薄膜在高低温的可见光积分透过率Tlum分别为69.8%,70.2%;薄膜的太阳光调制效率ΔTsol达到9.5%。当V2O5:H2C2O4为1:3时,最佳工艺为500oC保温30min,高低温可见光积分透过率Tlum分别为63%,62%;太阳光调制效率ΔTsol为8.0%。溶胶中加入草酸后所制VO2薄膜呈现岛状颗粒结构,会使得该薄膜高低温透过率在1000nm-1500nm处会产生一个吸收峰。改变H2O2的含量,对薄膜形貌及性能有较大影响,随着H2O2含量增加,颗粒间孔隙增大,Tlum和ΔTsol都逐渐增加。(3)采用VOCl2溶胶成功合成了多孔纯相和W掺杂VO2薄膜。当退火压力在2.0×103Pa下时制备的纯相VO2薄膜保持着高的太阳光调制能力(ΔTsol=9.4%,ΔT2000nm=52.9%)和良好的可见光透过率(60%)。随着掺杂量增加,薄膜的相变温度从55oC(0at.%W)降为28oC(2at.%W),且在近红外区保持良好的红外调制能力。
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