[发明专利]一种掺杂纳米复合镶嵌结构的智能节能薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺杂纳米复合镶嵌结构的智能节能薄膜及其制备方法，包括玻璃衬底、ZnO镶嵌层、嵌入物，所述玻璃衬底上附着ZnO镶嵌层，ZnO镶嵌层内设有嵌入物，所述嵌入物为VO₂。将高纯度的掺杂源W(或Mo、Nb、Ta、Ru元素)置于VO₂靶材上，并且在玻璃衬底上引入合适厚度的异质复合层ZnO，在沉积VO₂薄膜的过程中实现W掺杂、纳米结构和ZnO异质复合三者的协同作用，形成掺杂纳米镶嵌结构的VO₂智能节能薄膜。提升了红外(和电学)调制幅度，降低了薄膜的相变温度和热滞回线宽度，改善了VO₂薄膜的热致变色性能和红外调控效率，提高其在智能窗薄膜的应用潜力。

技术领域

本发明属于节能材料技术领域，具体涉及一种掺杂纳米复合镶嵌结构的智能节能薄膜及其制备方法。

背景技术

能源是人类赖以生存的基础，提高能源利用效率，节约现有不可再生能源，备受各国关注和重视。有数据显示，目前建筑能耗(主要是空调)将达我国总能耗的30％，而能量交换的门窗等建筑围护结构，是建筑能耗的主要关口，约占建筑能耗的50％。传统的隔热节能方法是使用多个玻璃片填充板之间的空气或惰性气体减少传导和对流，以及与低辐射(low-E)玻璃结合起来，以减少长波长的热交换。这种单一的系统不能自动满足人们这种动态要求，如果从窗户材料本体光学响应特性出发，构建一种能响应于窗外环境温度和太阳辐射强度，自动调节热量交换的智能节能体系——智能窗(Smart Window)，“灵巧聪明”地隔热保温，以实现冬暖夏凉，降低空调能耗，这将是一种更先进的新理念和新技术，标志着人类对能源利用的节能化、智能化的升级换代。

智能节能新理念是基于材料的智能调控特性，实现能源利用最优化。而起核心作用的智能节能材料，它能够感知外界环境的变化，并迅速通过自身结构性质变化作出响应，自动调节与外界能量的可控交换，从而有效地利用能源、降低能源消耗。在基于此原理的二氧化钒(VO₂)主体材料智能窗薄膜，具有金属-半导体一级可逆相变特性，常规的相变温度在68℃，最靠近室温，在此相变点附近，VO₂从单斜(P21/c)结构的高温红外透明半导体状态到四方金红石(P42/mnm)结构的低温红外半透明金属态和部分遮挡光线而保持透明可逆性结构变化，从而可以自动对外界(如太阳光的红外辐射部分)进行调光控温以实现智能节能，不需附加任何电源或气源，光响应速率达到皮秒量级，化学稳定性好，长寿命，易实用化，特别适合现代建筑、大型场馆等能耗巨大而且要求简便舒适的大规模系统，以及汽车和航天器等要求适应频繁变化的空间光热辐射环境的系统等的智能应用，因此它在智能控制太阳能近红外光辐射，实现智能节能方面有着巨大的潜力。

目前，较薄的单层VO₂智能薄膜可以提高可见光透过率，但红外透过率差量衰减，导致节能效率变弱甚至消失。所以，一些节能效率明显的VO₂薄膜普遍比较厚，但通常会出现可见光透光性较差，相变温度偏高等问题。此外，不能简单地通过增加薄膜的厚度来实现透过率差量的提高，如果厚度超过一定阈值，则在近红外透过率差量没有显著增加，反而稍有下降。单纯掺杂在一定程度上能降低材料相变温度，然而红外透过率差量大多受影响。不同衬底上生长的智能薄膜，其晶态、晶界和基底热容量会强烈影响红外透过率差量和相变时热滞，采用单晶衬底(如蓝宝石)有利于提高VO₂智能薄膜结晶质量，从而提高红外调控能力和改变相变温度，但单晶衬底(如蓝宝石)的价格昂贵，难以大规模应用。这些问题大大地限制了VO₂在智能节能领域的实际应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种掺杂纳米复合镶嵌结构的智能节能薄膜及其制备方法，克服了现有技术的上述不足，能够大幅提升了红外调制幅度，降低了薄膜的相变温度和热滞回线宽度，显著改善了VO₂薄膜的热致变色的性能和智能红外调控效率，提高其在智能窗薄膜的应用潜力。

为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：