二氧化钒薄膜光学特性的研究及其在智能窗方面的应用

　　摘要：本文介绍了二氧化钒薄膜的结构、性质；分析了二氧化钒薄膜的相变机理以及影响其相变过程的因素；利用傅里叶红外光谱仪对二氧化钒薄膜的光学性能进行了研究，发现在特定温度下二氧化钒薄膜发生相变，其光学性能随之突变；最后探讨了二氧化钒薄膜在智能窗领域的应用及发展前景。
　　关键词:二氧化钒薄膜；相变；光学特性；智能窗
　　随着社会的进步，经济的发展，人们对生活质量的要求越来越高。无论春夏秋冬，人们都希望能活动在25℃左右的环境中。为此人们设计出空调来保证室内温度的恒定。但是空调的使用一方面消耗电能，一方面会带来噪音等污染。而太阳光能量98%分布在波长范围为0.2～2.5μm，其中0.2～0.38μm是紫外光区，能量占总能量的9%，0.38～0.78μm的可见光占45%，0.78～2.5μm的近红外区占49%[1]。虽然现有的幕墙玻璃[2]、低辐射玻璃[3]都具有隔热效果，而且低辐射玻璃还克服了幕墙玻璃由于对可见光的高反射而造成光污染这一缺点，但低辐射玻璃不能实现对室内温度的智能化调节。我们希望能开发一种智能化玻璃，它能根据室内温度自动调节对太阳光能的透过率。假如入射光线稳定，室内温度低时，让红外光进入室内，提高室内温度；当温度升高到一定值时，自动降低红外光的透过率，室内温度则逐渐降低；当温度降到一定值后再自动提高对红外光的透过率。如此循环往复可实现对室内温度的智能化控制，对太阳能的绿色使用。
　　1二氧化钒的原子结构及其性质
　　二氧化钒吸引了众多研究者的注意，原因在于它在68℃发生金属—半导体相变，同时伴随四角金刚石结构向具有单斜对称的扭曲金刚石结构的变化，从而引起单胞尺寸加倍和大约1%的体积变化，其变化是各向异性的。
　　由此可见，随着温度的变化,VO2分子的结构发生了轻微的畸变,这种结构性的变化导致了其相变前后光学透过率的变化。一般情况下，VO2的相变温度为68℃，但其相变温度可以通过掺杂和合金化的方法加以改变。掺杂的方式有：高能离子注入技术、溶胶凝胶溶液掺杂技术等多钟方式，掺杂的材料有Mo、W、Ta以及稀土元素等，尤其是Mo、W的加入能较大幅度的降低二氧化钒的相变温度，其中加入1%的W可以将相变温度降低到21℃。对于掺杂使二氧化钒温度的降低，有人提出是由于杂质元素的引入将导致原有的V-V键的强行延长[4]。外加应力也会对二氧化钒薄膜的相变温度产生影响，当对薄膜施加拉伸应力时，薄膜的相变温度提高，当对薄膜施加压缩应力时，薄膜的相变温度下降，这也可能是由于衬底与薄膜的热膨胀系数不同，在热处理过程中薄膜与衬底之间产生热应力，因而造成相变温度的改变，因此薄膜的热处理温度及其衬底的选择也是影响薄膜相变温度的原因。
　　2二氧化钒薄膜热致相变的实验研究
　　使用波长为1.319μm的连续激光器对在玻璃衬底上制备的二氧化钒薄膜进行了动态实验研究,利用傅里叶红外光谱仪测量了薄膜相变前后光学特性的变化情况。实验光路如图1所示。
　　
　　图1激光辐照二氧化钒薄膜实验示意图
　　实验中使用同步控制机分别触发激光器、热像仪和示波器同时工作,以保证时间上的一致性。激光器被触发出光后,经一楔镜分光,其中一束反射光照射到InGaAs光电探测器1上,检测入射激光功率的变化情况;另一束反射光照射到功率计上,检测入射到二氧化钒薄膜上的激光功率,透过部分经透镜聚焦后照射到二氧化钒薄膜上,二氧化钒薄膜置于透镜焦点后边,二氧化钒薄膜后面放置InGaAs光电探测器2,监测透射光的变化情况。示波器和热像仪分别记录入射激光和透射激光功率的变化以及激光辐照薄膜过程中,光斑区域内薄膜温度的变化情况。
　　入射到薄膜表面的激光功率为8.9W，光斑直径2mm，激光出光200ms后，二氧化钒的温度从室温上升到约65℃,薄膜局部温度可能达到了其相变温度并开始发生部分相变,再经过约280ms,整个薄膜全部发生了相变,此时其温度为100℃左右。在这个过程中,激光的透过光强幅值从室温下的62mV降低到相变后的36mV。我们测试了其在室温下的透过率为48%,对应其相变后的透过率降为28%。从以上实验结果可知，薄膜的相变温度和光学特性的变化强烈地依赖于薄膜的制备条件，且与薄膜的微结构、成分和对激光的吸收系数密切相关。为了进一步提高二氧化钒薄膜的实用性，可以通过降低其相变温度，增大相变前后透过率的变化来实现。
　　3二氧化钒薄膜在智能窗方面的应用
　　二氧化钒薄膜在智能窗方面的应用和可见光透过率的提高关系密切。我们希望可见光有较大的透过率，以保证室内采光的同时又可使光线变得柔和。曾经有一些学者做出二氧化钒薄膜在整个光谱范围内相变前后各种波长光的透过率，如图2所示[5]，膜厚170nm时，高温时可见光透过率比低温时透过率低，而且不论相变前后透过率都低于20%。兰州物理研究所用磁控溅射法，在硅基底上镀制了相变温度为68℃的二氧化钒薄膜，其可见光透过率的变化趋势及变化量与之相近。此外还有报道[6]用溅射法镀制的32nm二氧化钒薄膜，其透过率和反射率在相变前后变化更为明显。在可见光区，高温态透过率比低温态透过率高，而且基本大于40%。从以上分析我们可以推测二氧化钒薄膜相变前后可见光透过率是可以改善的，它受镀膜方法、膜厚以及一些工艺条件的影响。
　　
　　图2二氧化钒薄膜相变前后透过比的变化
　　4总结
　　通过以上分析，我们看到从机理上讲二氧化钒薄膜是一种很好的智能窗材料；二氧化钒的相变温度降低和可见光透过率的提高对二氧化钒在智能窗方面的应用起着关键性的作用；从透过率来分析，它与制备方法、膜厚等有关，而相变温度与薄膜制取方法、处理工艺等因素也有关。所以我们应该将透过率的提高和相变温度的降低结合起来权衡考虑。力求找到一个最佳参数点让两者都能满足要求。探索出最佳参数点后必将造福于人类，节约大量资源而且达到对太阳能的绿色使用。
　　参考文献
　　[1]康德拉捷夫，太阳能辐射[M]，北京：科学出版社，1962：501.
　　[6]潘梅，陆卫.氧化钒热致变色薄膜的研究进展[J].激光与红外，2002，32（6）：374-377.