[发明专利]二氧化钒微结构图案及激光直写制备方法

说明书

本发明公开了一种二氧化钒微结构图案及激光直写制备方法。先通过反应磁控溅射，利用纯V靶在衬底上制备非晶氧化钒薄膜，然后将非晶氧化钒薄膜固定于激光加工平台，利用激光照射物体表面产生的高温效应对非晶氧化钒薄膜进行直写退火，经过激光直写的区域将由非晶的氧化钒结构转化为具备相变特性的二氧化钒微结构图案，通过激光加工平台的位移装置能够对二氧化钒微结构图案的形状进行直接调控。本发明的直写方法简单高效，溅射时基片温度低，溅射的工作气压以及氧氩比跨度大，工艺简单易重复。激光直写退火可以直写制备线宽小于8μm的二氧化钒微结构图案，通过调整位移平台可以对图案结构进行任意搭配和变化，制备工艺简单，设备依赖低。

技术领域

本发明涉及二氧化钒微结构图案的加工制备领域，具体涉及一种二氧化钒微结构图案及激光直写制备方法。

背景技术

近年来，由于碳排放增加导致的温室效应加剧，各国政府都提出了减少碳排放，实现“碳中和”的计划。国际能源署2019年的报告指出，建筑相关的碳排放占了全球碳排放的30％，而其中制冷制热所产生的碳排放又在建筑相关的碳排放中占比超过了45％。减少建筑制冷制热能耗，提高建筑内能源利用效率能够有效减少碳排放。根据热力学第二定律，物体时刻在与周围环境进行热交换，热交换的形式有导热、对流和辐射，地球上大多数物体的温度变化和太阳光辐射密切相关。同样的，合理利用辐射热交换也能够对建筑温度进行调控，通过向宇宙辐射能量降低物体表面温度的辐射制冷材料是一种极有潜力的建筑热管理材料。

传统的辐射制冷材料并不能随着温度变化改变发射率，这限制其只能在全年平均温度较高的地区使用，在年均温度较低的高纬度地区，这一类辐射制冷材料反而会增加建筑的制热能耗。基于我国纬度跨度广，南北气候差异大的现状，发展发射率可调式辐射制冷材料更符合我国的基本国情。二氧化钒(VO₂)由于其单斜相到金红石相的可逆相变而被熟知，其相变过程可以由热、光、电以及应力等驱动，相变前后伴随着材料光电特性的突变，在热致变色智能窗、阈值开关、可调谐超材料等领域具有巨大的应用前景。基于VO₂的可调辐射制冷器件能够提高能量利用效率，减少能源消耗和相关碳排放。

基于VO₂相变特性的发射率可调辐射制冷器件借助了超表面结构的研究基础。由亚波长单元结构周期排列组成的超表面阵列可以通过改变其单元结构来调控整个超表面结构的电磁属性，实现对特征电磁波的振幅、相位和偏振的调制。通过改变二氧化钒超表面结构单元的形状及大小等参数，可以对8-14μm红外辐射的选择响应，对应波段的吸收系数受二氧化钒相变调控。在低温时吸收系数低，减少对外辐射能量，在高温时吸收系数高，加强对外辐射，从而实现红外发射率的调整。但是现有的硬掩模技术无法在薄膜上直接制备亚波长超表面单元结构，需要引入额外的光刻工艺，较复杂的工艺将提高制备成本，不利于在建筑上大面积推广。

本发明从VO₂不同晶相在退火过程中相互转换机制出发，引入一种激光直写制备VO₂微结构图案的技术，能够在非晶氧化钒薄膜表面直写VO₂超表面结构，为制备基于VO₂相变特性的发射率可调辐射制冷器件提供技术支持。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种激光直写制备二氧化钒微结构图案的方法，本发明的二氧化钒微结构图案直写技术设备依赖低，操作简单，工艺流程少，成品周期短。

本发明所采用的技术方案如下：

一种二氧化钒微结构图案的激光直写制备方法，包括如下步骤：

(1.1)预先通过反应磁控溅射在衬底上沉积非晶氧化钒薄膜；

(1.2)将制备好的非晶氧化钒薄膜转移至激光加工平台，然后通过激光器在非晶氧化钒薄膜表面进行直写加工，激光直写照射的区域因光热效应，在局部产生大于400℃的高温环境，完成退火过程，最终产物为二氧化钒微结构图案。