[发明专利]一种二氧化钒低温热致变色薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钒低温热致变色薄膜的制备方法，属于功能材料和薄膜技术领域，具体涉及使用五氧化二钒低温诱导溅射生长特定晶向的金红石二氧化钛，并在此基底上还原上层的五氧化二钒制备二氧化钒低温热致变色薄膜的方法。

背景技术

二氧化钒是一种相变材料，其M相和R相在68℃会发生红外透明的半导体相(M)到红外不透明的金属相(R相)发生转变，伴随着光学，电学和磁学性能的突变，这些特性变化可利用于智能窗，热敏感电阻，卫星镜头激光防护，温控开关，光存储等领域。因此二氧化钒的应用研究具有重要的市场效益和军工价值。

随着国家经济的发展导致的建筑总体能耗提高、降低碳排放要求的提出及国际能源紧缺问题的日趋严峻，智能节能窗户成为了业内的主流发展方向，而二氧化钒因相变温度接近室温，具有红外调节功能，成为了智能窗户方向的主流材料。然而，其具体应用还存在着三个严重缺陷：(1)可见光透过率不高；(2)红外光调节幅度不大；(3)相变温度远远高于室温。而这三者又互相影响，降低薄膜厚度提高可见光透过率，但导致红外调节能力进一步降低，即使进行减反射设计也不能从根本上解决问题，只能使用在一些对光透过率要求不太高的场合。

Y.Muraoka等人(Appl.Phys.Lett.2002，80:583-585用脉冲激光沉积法生长的(110)和(001)面金红石相单晶二氧化钛为基底，制备了外延生长的金红石二氧化钒薄膜，得到了(001)面金红石二氧化钛上生长的无掺杂二氧化钒，相变温度为27度。JoonghoeDho等人(J.Cryst.Growth.2014，404:84-88)用两面抛光且不同取向的单晶金红石二氧化钛为衬底生长二氧化钒薄膜，发现(001)、(111)、(101)、(100)和(110)晶向衬底上生长的二氧化钒薄膜相变温度依次为33度、38度、53度、63度和73度。由此可将，不同晶向的金红石二氧化钛衬底能使二氧化钒的相变温度发生变化，能够降低二氧化钒的相变温度至室温附近，但金红石相二氧化钛制备工艺条件苛刻(需要至少700℃的高温)、生产成本昂贵，实际应用价值很低，不适于大规模推广。

在二氧化钒中进行钨等元素的掺杂能降低其相变温度至室温左右，但也会明显降低可见光透过率和严重影响红外调节能力。

中国专利申请号201210412982.6公开了一种低相变温度二氧化钒薄膜制备工艺，它直接在K9玻璃，硅片或者其它基底上溅射生长二氧化钒，该专利未给出可见光透过率和红外光调节幅度等参数。此外，直接在K9玻璃或者钠钙硅玻璃上生长的二氧化钒，400-600高温钢化退火处理后，因无钠离子阻挡层，玻璃中的钠离子扩散入二氧化钒中，形成新的化合物，影响二氧化钒的结晶，不利于提高二氧化钒的相变特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种二氧化钛低温热致变色薄膜的制备方法，该方法制备得到的热至变色薄膜的相变温度为35-45℃，可见光透过率为40.3～44.8％，红外光调节幅度为10.2～11.6％，且具有可钢化功能。

为了实现本发明所述目的，发明人提供了以下技术方案。

一种二氧化钒低温热致变色薄膜的制备方法，包括以下操作步骤：

A.将反应沉积腔抽至本底真空，再分别通入氧气和氩气，氧分压为0-90％，使工作压力为0.1-3.0Pa，基片温度为20-25℃，以高纯金属钒为靶材，采用直流反应磁控溅射技术，在衬底基片上生长五氧化二钒层；

B.将衬底升温至400-500℃，同时继续通入氧气和氩气，氧分压为10％-90％，使工作压力为0.1-1.0Pa，以高纯金属钛为靶材，采用直流反应磁控溅射技术，诱导溅射生长金红石二氧化钛层；

C.在还原气氛或惰性气氛环境中，进行退火，即得到基片/金红石二氧化钛/金红石二氧化钒热至变色薄膜。

步骤A所述衬底基片为玻璃。

步骤A所述本底真空的真空度为1-3×10^﹣4Pa。

步骤A所述五氧化二钒层的厚度为50-120nm。

步骤A所述氧气的纯度为99.99％，氩气的纯度为99.99％。

步骤A所述高纯金属钒的纯度为99.99％，高纯金属钛的纯度为99.99％。

步骤A和B所述诱导溅射的功率密度为3-5W/cm²。

步骤B所述金红石二氧化钛层的厚度为50-200nm。

步骤C所述还原气氛为氢气和氩气的混合气体，所述惰性气氛为氮气或/和氩气气体。