一種通過(guò)快速熱處理調(diào)控二氧化釩相變溫度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種二氧化釩薄膜的制備方法，具體涉及一種通過(guò)快速熱處理調(diào)控二氧化釩相變溫度制備二氧化釩的方法以及所制備的二氧化釩薄膜在制備智能窗中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，世界各國(guó)都十分重視建筑節(jié)能，當(dāng)前中國(guó)建筑能耗占社會(huì)總能耗的27%左右。建筑能耗中，玻璃窗的能耗占到全部建筑能耗的40%?50%，因此窗戶的節(jié)能是在建筑節(jié)能中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。這樣人們希望能開(kāi)發(fā)一種智能化窗玻璃，它能根據(jù)室內(nèi)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)太陽(yáng)光能的透過(guò)率。假如入射光線穩(wěn)定，室內(nèi)溫度低時(shí)，讓紅外光進(jìn)入室內(nèi)，提高室內(nèi)溫度；當(dāng)溫度升高到一定溫度時(shí)，自動(dòng)降低紅外光的透過(guò)率，室內(nèi)溫度則逐漸降低；當(dāng)溫度降到一定值后再自動(dòng)提高對(duì)紅外光的透過(guò)率。如此循環(huán)往復(fù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的智能化控制，對(duì)太陽(yáng)能的綠色使用。二氧化釩(V02)是一種溫度敏感材料，在68°C會(huì)發(fā)生由半導(dǎo)體相到金屬相的改變，相變過(guò)程中，晶體結(jié)構(gòu)由低溫單斜金紅石結(jié)構(gòu)變?yōu)楦邷厮姆浇鸺t石結(jié)構(gòu)，相變前后乂02的光學(xué)和電學(xué)性能發(fā)生可逆快速突變，尤其是在紅外波段V0 2的透射發(fā)生由高透射向低透射的轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)明顯的開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)。由于具有這種透射轉(zhuǎn)變的特性，乂02成了制備智能窗的理想材料。
[0003]為了獲得更好的效果，智能窗的工作溫度要求接近室溫，這就要求V02的相變溫度趨近于室溫。目前國(guó)內(nèi)外研究者大多都致力于利用摻雜調(diào)控V02相變溫度。鎢摻雜V02薄膜以及其他一些元素?fù)诫s包括Mo、Cr等能夠有效的降低V02相變溫度。盡管摻雜能夠有效的調(diào)控VOjg變溫度，但是很難任意地以及連續(xù)地改變摻雜的數(shù)量，尤其是通過(guò)濺射的方法。從V02的制備工藝出發(fā)，改變制備過(guò)程中的某些參數(shù)實(shí)現(xiàn)V02相變溫度的調(diào)控也應(yīng)是考慮降低相變溫度的一種方式。目前鮮有通過(guò)V02的制備過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)V0 2相變溫度調(diào)控的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種通過(guò)快速熱處理調(diào)控二氧化釩相變溫度的方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中調(diào)控V02相變溫度工藝復(fù)雜、成本高的問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種通過(guò)快速熱處理調(diào)控二氧化釩相變溫度的方法，包括如下步驟:
[0006](1)藍(lán)寶石基底的清洗:
[0007]將藍(lán)寶石片依次放入去離子水、丙酮以及無(wú)水乙醇中分別超聲清洗，除去表面的有機(jī)雜質(zhì)；再用去離子水洗凈，最后將藍(lán)寶石基片放入無(wú)水乙醇中備用；
[0008](2)制備釩薄膜:
[0009]將洗凈并烘干的藍(lán)寶石基片置于超高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室進(jìn)行濺射，在表面沉積釩薄膜；
[0010](3) 二氧化釩薄膜的制備:
[0011 ] 將步驟⑵制得的釩薄膜放于快速退火爐中進(jìn)行快速氧化熱退火；爐內(nèi)溫度的改變規(guī)律分為為升溫、保溫、降溫三個(gè)階段，熱氧化時(shí)通入的氣體為高純氧氣，升溫和保溫時(shí)氣體流量為3-7slpm，降溫階段氣體流量固定為lOslpm，保溫溫度為300-700°C，升溫速率通過(guò)設(shè)定保溫溫度和升溫時(shí)間來(lái)確定，例如保溫溫度為450°C，升溫時(shí)間9s，升溫速率則為50。。/s，保溫時(shí)間70s-170s，降溫時(shí)間90s。
[0012]所述步驟(1)所用藍(lán)寶石為0001晶面的雙拋光的藍(lán)寶石基底，厚度為0.45mm。
[0013]所述步驟(2)采用超高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室進(jìn)行濺射的條件為:DPS-1II型超高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室，采用質(zhì)量純度為99.99%的金屬釩作為靶材，以質(zhì)量純度為99.99%的氬氣作為工作氣體，本體真空度4X 10 4Pa，基片溫度為室溫，氬氣氣體流量為48mL/min，濺射工作氣壓為2Pa，濺射功率75W，濺射時(shí)間10min_25min。
[0014]所述步驟(3)的快速退火爐為AccuThermo AW 610型快速退火爐。
[0015]一種上述方法制備的二氧化釩薄膜在制備智能窗中的應(yīng)用。
[0016]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明采用磁控濺射的方式濺射釩薄膜，然后在快速退火爐中進(jìn)行快速氧化退火，在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有其他物質(zhì)的摻雜，僅僅改變退火參數(shù)，并利用四探針對(duì)所制備二氧化釩薄膜的相變特性進(jìn)行研究，是一種制備過(guò)程簡(jiǎn)單，易于控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)V02相變溫度進(jìn)行調(diào)控，降低相變溫度的方法。
[0017](1)制備的氧化釩薄膜，實(shí)現(xiàn)其相變溫度可以調(diào)控的方法較為簡(jiǎn)單，所需時(shí)間短，控制的工藝條件較少，且易于控制。
[0018](2)先濺射金屬釩薄膜，然后在進(jìn)行熱退火，與實(shí)際工廠生產(chǎn)相似，適合大批量生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是利用四探針測(cè)得的厚度均為70nm不同熱氧化時(shí)間下二氧化釩薄膜的相變曲線；
[0020]圖ΙΑ、1B、1C、1D分別對(duì)應(yīng)退火時(shí)間為100s、120s、150s、170s ；C100代表退火時(shí)間為100s的降溫曲線，H100代表退火時(shí)間為100s的升溫曲線，其他表示方法以此類(lèi)推；
[0021]圖2是厚度均為70nm退火時(shí)間為100s、120s、150s、170s薄膜的高斯擬合曲線；
[0022]圖3是厚度分別為70nm、86nm、130nm在150s熱氧化時(shí)間下二氧化銀薄膜的相變曲線；
[0023]圖3A、3B、3C分別表示厚度為130nm、86nm、70nm的薄膜的相變曲線；
[0024]圖4是厚度分別為70nm、86nm、130nm在150s熱氧化時(shí)間下二氧化銀薄膜的高斯擬合曲線；
[0025]圖5是厚度均為70nm不同熱氧化時(shí)間下二氧化釩薄膜的XRD圖；
[0026]圖6是厚度分別為70nm、86nm、130nm在150s熱氧化時(shí)間下二氧化銀薄膜的XRD圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]本發(fā)明所用原料均采用市售材料。
[0029]實(shí)施例1
[0030]1)藍(lán)寶石清洗
[0031]所用藍(lán)寶石是在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的(0001)晶面的雙拋光的藍(lán)寶石，厚度為0.45mm，尺寸將藍(lán)寶石片一次放入去離子水、丙酮以及無(wú)水乙醇中分別超聲清洗20分鐘，除去表面的有機(jī)雜質(zhì)；再用去離子水洗凈，最后將藍(lán)寶石基片放入無(wú)水乙醇中備用。
[0032]2)制備釩薄膜的工藝條件
[0033]將洗凈的藍(lán)寶石基底置于DPS-1II型超高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室，采用質(zhì)量純度為99.99%的金屬釩作為靶材，以質(zhì)量純度為99.99%的氬氣作為工作氣體，本體真空度4.0X 10 4Pa，基片溫度為室溫，氬氣氣體流量為48mL/min，濺射工作氣壓為2Pa，濺射功率75W，濺射時(shí)間lOmin，制備成厚度為70nm的V薄膜。
[0034]3) 二氧化釩薄膜的制備
[0035]制得的4個(gè)厚度均為70nm的釩薄膜放于快速退火爐中進(jìn)行快速氧化熱退火。爐內(nèi)溫度的改變規(guī)律分為為升溫、保溫、降溫三個(gè)階段，熱氧化時(shí)通入的氣體為高純氧氣，升溫和保溫時(shí)氣體流量固定為7slpm，其余階段氣體流量固定為lOslpm，保溫溫度為450°C，升溫速率通過(guò)設(shè)定保溫溫度和升溫時(shí)間來(lái)確定，其值固定為50°C /s，升溫時(shí)間9s，保溫時(shí)間分別為100S、120S、150S、170S，降溫時(shí)間90s。所測(cè)得的相變曲線為圖一所示，利用高斯擬合計(jì)算繪制d(logRs)/dT-T曲線，升溫曲線最小值為該薄膜相變溫度，所得保溫時(shí)間分別為 100s、120s、150s、170s 的樣品的相變溫度分別為 49°C、51°C、56°C、57°C。
[0036]實(shí)施例2
[0037]與實(shí)施例1所不同的是在超高真空對(duì)靶磁控濺射鍍膜機(jī)中的濺射時(shí)間分別為lOmin、15min、25min，所對(duì)應(yīng)的厚度分別為70nm、86nm、130nm。依舊分別放入快速熱退火爐中進(jìn)行快速熱退火。退火參數(shù)保溫時(shí)間均為150s，其他退火參數(shù)和方案一相同。所測(cè)得的相變曲線為圖3所示，濺射時(shí)間分別為lOmin、15min、25min的樣品的相變溫度分別為56°C、53Γ、53Γ。
[0038]本發(fā)明采用RTS-8型四探針測(cè)試儀測(cè)試氧化釩薄膜的相變特性，利用加熱臺(tái)對(duì)氧化隹凡薄膜進(jìn)行加熱。利用高斯擬合計(jì)算繪制d(logRs)/dT-T曲線，升溫曲線最小值為該薄膜相變溫度，&代表利用四探針?biāo)鶞y(cè)得薄膜的方塊電阻。
[0039]本發(fā)明制備二氧化釩薄膜的方法具有良好的相變溫度調(diào)控特性，可以充分利用該方法制備二氧化釩薄膜并利用在智能窗上。
[0040]盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實(shí)施方式】，上述的【具體實(shí)施方式】?jī)H僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種通過(guò)快速熱處理調(diào)控二氧化釩相變溫度的方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)藍(lán)寶石基底的清洗: 將藍(lán)寶石片依次放入去離子水、丙酮以及無(wú)水乙醇中分別超聲清洗，除去表面的有機(jī)雜質(zhì)；再用去離子水洗凈，最后將藍(lán)寶石基片放入無(wú)水乙醇中備用； (2)制備釩薄膜: 將洗凈并烘干的藍(lán)寶石基片置于超高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室進(jìn)行濺射，在表面沉積釩薄膜； (3)二氧化釩薄膜的制備: 將步驟(2)制得的釩薄膜放于快速退火爐中進(jìn)行快速氧化熱退火；爐內(nèi)溫度的改變規(guī)律分為為升溫、保溫、降溫三個(gè)階段，熱氧化時(shí)通入的氣體為高純氧氣，升溫和保溫時(shí)氣體流量為3-7slpm，降溫階段氣體流量固定為lOslpm，保溫溫度為300-700°C，升溫速率通過(guò)設(shè)定保溫溫度和升溫時(shí)間來(lái)確定，例如保溫溫度為450°C，升溫時(shí)間9s，升溫速率則為50。。/s，保溫時(shí)間70s-170s，降溫時(shí)間90s。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述通過(guò)快速熱處理調(diào)控二氧化釩相變溫度的方法，其特征在于，所述步驟(1)所用藍(lán)寶石為0001晶面的雙拋光的藍(lán)寶石基底，厚度為0.45mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述通過(guò)快速熱處理調(diào)控二氧化釩相變溫度的方法，其特征在于，所述步驟(2)采用超高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室進(jìn)行濺射的條件為:DPS-1II型超高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室，采用質(zhì)量純度為99.99%的金屬釩作為靶材，以質(zhì)量純度為99.99 %的氬氣作為工作氣體，本體真空度4X10 4Pa，基片溫度為室溫，氬氣氣體流量為48mL/min，濺射工作氣壓為2Pa，濺射功率75W，濺射時(shí)間10min_25min。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述通過(guò)快速熱處理調(diào)控二氧化釩相變溫度的方法，其特征在于，所述步驟(3)的快速退火爐為AccuThermo AW 610型快速退火爐。5.一種權(quán)利要求1所述方法制備的二氧化釩薄膜在制備智能窗中的應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種通過(guò)快速熱處理調(diào)控二氧化釩相變溫度的方法，包括藍(lán)寶石基底的清洗、超高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室進(jìn)行濺射，在表面沉積釩薄膜、將制得的釩薄膜放于快速退火爐中進(jìn)行快速氧化熱退火的步驟。本發(fā)明采用磁控濺射的方式濺射釩薄膜，然后在快速退火爐中進(jìn)行快速氧化退火，在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有其他物質(zhì)的摻雜，僅僅改變退火參數(shù)，并利用四探針對(duì)所制備二氧化釩薄膜的相變特性進(jìn)行研究，是一種制備過(guò)程簡(jiǎn)單，易于控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)VO2相變溫度進(jìn)行調(diào)控，降低相變溫度的方法。
【IPC分類(lèi)】C23C14/18, C23C14/35, C23C14/58
【公開(kāi)號(hào)】CN105256280
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510824576
【發(fā)明人】梁繼然, 李景朋, 侯露輝, 劉星
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年11月24日