[发明专利]一种二氧化钒多层膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种二氧化钒多层膜及其制备方法，所述二氧化钒多层膜由通过溅射法依次形成在衬底的上的籽晶层、缓冲层、二氧化钒薄膜层以及保护层构成。本发明的二氧化钒多层膜结晶性好，光学性能优异，特别适合于智能玻璃等方面的应用。

技术领域

本发明属于新型无机功能材料领域，具体涉及一种利用磁控溅射在较低沉积温度下获得高结晶质量的二氧化钒多层膜的方法。

背景技术

目前，世界各国都十分注重建筑节能，当前中国建筑能耗占社会总能耗的40％左右。建筑节能中，玻璃窗的能耗占到全部建筑能耗的40％～50％，窗户的节能是建筑节能中需要重点解决的问题。我国目前对节能玻璃的使用率和发达国家有很大差距，在新建建筑中使用节能玻璃以及对现有建筑玻璃进行节能化改造是减少建筑空调能耗的有效方法。

目前已经商业化的建筑节能玻璃以Low-E玻璃为主。Low-E玻璃又称低辐射玻璃，即表面镀有低辐射功能薄膜的玻璃。其镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，使其与普通玻璃及传统的建筑用镀膜玻璃相比，具有优异的隔热效果和良好的透光性。但Low-E玻璃具有一个明显的缺陷，即它的光学性能在产品制成以后就固定不变了。无法根据环境温度、太阳光辐射强度的变化或者不同区域的需求来改变，属于“被动响应”型，难以适应我国大部分地区四季分明的气候。

因此，开发主动响应型的智能节能玻璃，显得尤为重要。热致变色(或温控变色)材料是指随着环境温度的变化，材料的结构或者微结构发生变化导致光学性质的变化。热致变色玻璃一般是通过在普通玻璃上涂覆一层热致变色材料或者玻璃本体经过改性而形成。研究表明，二氧化钒(VO₂)是最适合作为热致变色窗的材料。该材料具有奇特的金属-绝缘体转变特性，在常温为半导体态，对太阳光中的红外部分呈现高透过，使室内保温；随着温度的升高，材料发生相变转变为金属态，进而对太阳光红外部分呈现高反射，则能够降低室内的温度。而且，该材料仅对红外光有调节的作用，而在高低温下的可见光透过率能得以维持。块体VO₂单晶的相变温度为68℃，通过掺杂、颗粒纳米化等措施可以使其相变温度降到室温，非常适合做节能温控调光玻璃。VO₂薄膜用在窗户上，可以根据外界环境变化自然响应，实现不同季节和时段对进入室内的光热调整，保持室内冬暖夏凉，从而减少空调能耗。这种动态调控不同于其他需要外界自控控制的动态调控节能玻璃，因此被称为“智能窗”。与Low-E玻璃，智能窗无需外界施加其它能源或气体就能很好的保持冬暖夏凉的效果，应用于建筑物上，无疑具有深远的意义。

关于二氧化钒薄膜制备及应用的研究自上世纪70年代以来便如雨后春笋般大量出现，在众多的合成方法中，物理溅射法由于具有大规模产业化的前景而备受关注。然而，溅射法的扩大生产仍存在诸多问题需要解决，其中最主要的问题之一就是二氧化钒薄膜较高的衬底温度(一般高于400℃)，不仅导致的较高的电耗，增加生产成本，而且对制备系统提出了较高的要求，增加大型设备的制造难度。已有的低温沉积工艺的研究都不可避免的需要后续退火处理，增加了工艺步骤，降低了薄膜的成品率。因此探究降低溅射过程中的衬底温度且无需退火的工艺势在必行。

中国专利《一种二氧化钒薄膜的制备方法》(申请公布号CN103014701A)公开了一种利用原子层沉积的方法在较低温度下获得二氧化钒薄膜的工艺，制备过程衬底温度为300～350℃，然而原子层沉积的方法相对磁控溅射法沉积速率缓慢，生产效率极低。中国专利《一种二氧化钒薄膜低温沉积方法》(申请公布号CN 105132877A)公开了一种利用引入基底负偏压的方法实现降低溅射过程中衬底温度的工艺，该发明衬底温度为240～260℃，但是基底偏压仅仅适用于特定小型手动设备中，大规模自动化生产中该参数为设备自动调节，无法人为引入，因此该方法适用面受限。

发明内容

面对现有技术存在的问题，基于上述对二氧化钒薄膜研究现状的概述，本发明的目的是提供结晶性好、光学性能优异的二氧化钒多层膜，以及利用磁控溅射在较低沉积温度下获得高结晶质量的二氧化钒多层膜的方法。