一種智能節(jié)能窗用二氧化釩基膜系及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種智能節(jié)能窗用二氧化釩基膜系及其制備方法。該膜系包括功能層和減反保護(hù)層，其中功能層為摻雜二氧化釩薄膜，減反保護(hù)層為光學(xué)介質(zhì)，如：二氧化硅、氮化硅、二氧化鈦、氧化鋁、氮化鋁、五氧化二鉭等，減反保護(hù)層可以是一層或多層。摻雜二氧化釩薄膜是通過(guò)濺射法在襯底上沉積一層摻雜的金屬釩膜，把上述薄膜在真空條件下通氧退火得到相變溫度接近室溫的摻雜二氧化釩薄膜。然后在制備好的摻雜二氧化釩薄膜表面沉積一層光學(xué)介質(zhì)層，提高薄膜可見(jiàn)光透過(guò)率并增強(qiáng)薄膜耐候性。該膜系根據(jù)氣溫智能地調(diào)節(jié)太陽(yáng)光紅外輻射的入射量，實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼的效果。
【專利說(shuō)明】一種智能節(jié)能窗用二氧化釩基膜系及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及功能材料領(lǐng)域，涉及一種摻雜二氧化釩薄膜制備方法，尤其涉及一種 智能窗應(yīng)用的摻雜氧化釩膜系的設(shè)計(jì)和制備方法。 技術(shù)背景
[0002] 從上個(gè)世紀(jì)八十年代就已經(jīng)提出了二氧化釩可以應(yīng)用到智能窗領(lǐng)域，從此二氧化 釩被廣泛研究，無(wú)論是制備工藝還是性能都有很大改進(jìn)和提升，但是二氧化釩智能窗并沒(méi) 有面世。二氧化釩薄膜作為智能溫控窗應(yīng)用有三個(gè)關(guān)鍵因素：相變溫度、紅外調(diào)節(jié)率和可見(jiàn) 透過(guò)率。然而，這三個(gè)指標(biāo)并不是相互獨(dú)立的，大量研究工作都主要針對(duì)其中某個(gè)或部分關(guān) 鍵性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，犧牲了其他關(guān)鍵參數(shù)的性能，但卻少有同時(shí)綜合考慮作為智能窗應(yīng) 用三大核心要素研究的工作報(bào)導(dǎo)。如文獻(xiàn)（Jin P，Nakao S，Tanemura S. Tungsten doping into vanadium dioxide thermochromic films by high-energy ion implantation and thermal annealing[J]· Thin Solid Films, 1998, 324:151 - 158)報(bào)道通過(guò)慘鶴把相變溫 度調(diào)節(jié)到了 30°C附近，但其2000nm處紅外調(diào)節(jié)率只有18% ;而另有文獻(xiàn)（Balu R，Ashrit P V. Near-zero IR transmission in the metal-insulator transition of V02 thin films [J]· Applied Physics Letters, 2008, 92:021904)報(bào)道通過(guò)改變二氧化f凡厚度把薄膜 紅外調(diào)節(jié)率提高到70%左右，但是因其薄膜厚度為300nm，可見(jiàn)波段幾乎無(wú)透過(guò)，并且相變 溫度在68°C附近，遠(yuǎn)高于室溫。因此，僅僅針對(duì)部分性能優(yōu)化往往會(huì)導(dǎo)致其他性能變差，不 能滿足智能窗應(yīng)用的實(shí)際需求，需要綜合考慮和兼顧膜系各主要性能。
[0003] 二氧化釩的典型相變溫度是68°C，高于夏季玻璃表面溫度，薄膜不發(fā)生相變，沒(méi) 有紅外透過(guò)率智能調(diào)節(jié)功能，故不能實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼效果。通過(guò)對(duì)薄膜摻雜可以把薄膜相變 溫度調(diào)節(jié)到近室溫，摻雜元素包括W、Mo、AI、Ti、Nb和Ta等，摻雜對(duì)紅外調(diào)節(jié)率也有一定影 響，隨著摻雜量增加，紅外調(diào)節(jié)率也會(huì)降低。
[0004] 要提高紅外調(diào)節(jié)率，就需要增加二氧化釩薄膜的厚度，但二氧化釩薄膜厚度的增 力口，會(huì)使可見(jiàn)光透過(guò)率下降；而可見(jiàn)光透過(guò)率過(guò)低，則采光效果差，難以作為智能窗應(yīng)用。因 此需要選擇合適的摻雜量和二氧化釩薄膜厚度，來(lái)兼顧相變溫度和紅外調(diào)節(jié)率。在此基礎(chǔ) 上，再通過(guò)引入一層減反膜，來(lái)提高可見(jiàn)光透過(guò)率。
[0005] 本發(fā)明公開(kāi)了一種適合于產(chǎn)業(yè)化的高性能摻雜的二氧化釩膜系的制備方法。其中 通過(guò)釩靶與摻雜釩靶共濺射，可以控制所制備的二氧化釩的摻雜量，進(jìn)而調(diào)節(jié)二氧化釩薄 膜的相變溫度，獲得合適的相變溫度和紅外調(diào)節(jié)率；而通過(guò)膜系設(shè)計(jì)，獲得高性能的智能窗 膜系；膜系制備方法簡(jiǎn)便易行，與大規(guī)模鍍膜工藝兼容，可以推廣到智能窗上應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種智能節(jié)能窗用二氧化釩基膜系及其制備方法。膜系包含兩個(gè)主 要部分：功能層和輔助層。
[0007] 如圖1所示，膜系結(jié)構(gòu)為：在襯底3上依次有功能層2和減反保護(hù)層1，其中功能 層2是合適摻雜比的摻雜二氧化釩層，減反保護(hù)層1是一層或多層的二氧化硅、氮化硅、二 氧化鈦、氧化鋁、氮化鋁或五氧化二鉭光介質(zhì)材料層。
[0008] 二氧化釩低于相變溫度時(shí)，呈現(xiàn)半導(dǎo)體相，紅外透過(guò)率高，而低于相變溫度時(shí)，紅 外透射過(guò)低，相變過(guò)程中，二氧化釩薄膜可見(jiàn)透射率幾乎無(wú)變化，因此只要相變溫度合適， 就可以跟著室溫自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)光紅外輻射的入射量，實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼的效果。通過(guò)摻雜可以 把二氧化釩相變溫度調(diào)節(jié)到室溫附近，摻雜元素包括1^〇31、11、他和了 &等，選擇合適的 摻雜比就可以獲得相變溫度合適的二氧化釩薄膜。其中摻雜比范圍為〇. 5?4. 0%，薄膜厚 度在20?100nm。
[0009] 在功能層摻雜的二氧化釩薄膜的基礎(chǔ)上，制備一層或多層減反保護(hù)層以提高膜系 整體性能。
[0010] 減反保護(hù)層具有兩個(gè)作用：
[0011] (a)提高膜系可見(jiàn)透過(guò)率
[0012] 如果膜層的光學(xué)厚度是某一波長(zhǎng)的四分之一，相鄰兩束光的光程差恰好為η，即 振動(dòng)方向相反，疊加的結(jié)果使光學(xué)表面對(duì)該波長(zhǎng)的反射光減少。適當(dāng)選擇膜層折射率，這時(shí) 光學(xué)表面的反射光可以完全消除。為了減少表面的反射光，通常是在玻璃表面鍍一層低折 射率的膜薄。反射率可以用特征矩陣法算出，對(duì)單層減反膜：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種智能節(jié)能窗用二氧化釩基膜系，其結(jié)構(gòu)為在襯底（3)上依次有功能層（2)和減 反保護(hù)層（1)，其特征在于： 所述的功能層（2)是摻雜比為0. 5?4. 0%摻雜二氧化釩薄膜，摻雜元素是W、Mo、AI、 Ti、Nb或Ta，薄膜厚度為20?100nm ; 所述的減反保護(hù)層（1)是一層或多層的二氧化硅、氮化硅、二氧化鈦、氧化鋁、氮化鋁 或五氧化二鉭光介質(zhì)材料層。
2. -種制備如權(quán)利要求1所述的智能節(jié)能窗用二氧化釩基膜系的方法，其特征在于包 括以下步驟： 1) 通過(guò)濺射的方法制備摻雜的金屬釩膜，為了使得后續(xù)處理過(guò)程后膜系具有一定可見(jiàn) 光透過(guò)率和紅外調(diào)節(jié)特性，金屬釩鎢膜厚度控制在20?80nm ; 2) 采用真空通氧退火的方法把摻雜金屬釩膜退火氧化成摻雜二氧化釩薄膜，薄膜厚度 為 20 ?100nm ; 3) 測(cè)試摻雜二氧化釩薄膜的透射譜和反射譜，通過(guò)軟件提取摻雜二氧化釩薄膜的光學(xué) 常數(shù)； 4) 應(yīng)用摻雜二氧化釩膜和光學(xué)介質(zhì)的光學(xué)常數(shù)，設(shè)計(jì)智能窗用二氧化釩膜系，在軟件 中模擬各層厚度對(duì)膜系整體性能的影響； 5) 通過(guò)濺射的方法制備摻雜的金屬釩膜，膜層厚度依據(jù)模擬中性能優(yōu)異的區(qū)段進(jìn)行選 擇； 6) 采用真空通氧退火的方法把金屬釩鎢膜退火氧化成摻雜二氧化釩薄膜； 7) 通過(guò)濺射的方法在膜層表面沉積一層減反層，減反層厚度依據(jù)模擬中性能優(yōu)異的區(qū) 段進(jìn)行選擇。
【文檔編號(hào)】C03C17/34GK104250068SQ201410403361
【公開(kāi)日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】王少偉, 劉星星, 陸衛(wèi), 俞立明, 陳效雙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所