Модуляция инфракрасных оптических свойств тонкой пленки VO2, изготовленной методом сверхбыстрого импульсного лазерного осаждения, для термохромных приложений «умных окон»

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 11421 (2022) Цитировать эту статью

2695 Доступов

10 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

На протяжении многих лет диоксид ванадия (VO2(M1)) широко использовался для изготовления тонких термохромных пленок с упором на использование внешних раздражителей, таких как тепло, для модуляции пропускания видимого света через ближний инфракрасный диапазон для повышения энергоэффективности зданий и комфорт в помещении. Таким образом, важно расширить изучение термохромных материалов до длин волн средней инфракрасной области (MIR) для таких приложений, как интеллектуальные излучающие устройства. Помимо этого, существует множество проблем с синтезом тонких пленок из чистого VO2 (M1), поскольку большинство технологий изготовления требуют последующего отжига осажденной тонкой пленки для преобразования аморфного VO2 в кристаллическую фазу. Здесь мы представляем прямой метод изготовления более толстых тонких пленок VO2 (M1) на горячих подложках из диоксида кремния (при температурах подложек 400 ° C и 700 ° C) из материала-прекурсора пятиокиси ванадия (V2O5). Фемтосекундный лазер с высокой частотой повторения (10 кГц) используется для осаждения V2O5, что приводит к образованию VO2 (M1) без каких-либо этапов пост-отжига. Морфология поверхности, структурные свойства и оптические свойства в УФ-видимой области, включая ширину запрещенной зоны и комплексный показатель преломления, в зависимости от температуры подложки, были изучены и представлены ниже. Исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и рентгеновской дифракции подтверждают, что тонкие пленки VO2 (M1), осажденные при 700 °C, имеют преобладающую высокотекстурированную поликристаллическую моноклинную кристаллическую структуру. Термохромные характеристики в среднем инфракрасном диапазоне (MIR) в диапазоне длин волн 2,5–5,0 мкм представлены с использованием измерений коэффициента пропускания, зависящих от температуры. Было подтверждено, что фазовый переход первого рода из металла в полупроводник и ширина полосы гистерезиса перехода составляют 64,4 °C и 12,6 °C соответственно для образца, изготовленного при 700 °C. Свойства термооптической излучательной способности указывают на то, что эти тонкие пленки VO2 (M1), изготовленные с помощью фемтосекундного лазерного осаждения, обладают большим потенциалом как для радиационного управления температурой, так и для контроля с помощью активных энергосберегающих окон для зданий, спутников и космических кораблей.

Диоксид ванадия (VO2) (M1) становится технологически важным оксидом металла из-за его заметного изменения в переходе первого рода изолятор-металл (ПИМ) при критической температуре около 68 °C1,2. Температуру фазового перехода тонких пленок VO2 (M1) можно вызвать с помощью внешних стимулов, таких как тепловые, электрические и сверхбыстрые оптические возбуждения. Индуцированный фазовый переход тонких пленок VO2 из моноклинного диэлектрика в рутиловую металлическую фазу является обратимым и сопровождается значительным изменением электрических, магнитных и оптических свойств. Эти характеристики имеют значительный потенциал для широкого спектра современных применений, таких как приводы, пассивные интеллектуальные радиационные устройства, термохромные интеллектуальные (активные) окна, модуляция длин волн от ближнего инфракрасного (NIR) до среднего инфракрасного (MIR) или оптическое переключение для модуляции МИК-излучение и пассивное радиационное охлаждение3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. Например, температура фазового перехода тонкой пленки VO2 (M1) связана с модуляцией пропускания и отражения спектрального диапазона NIR в MIR в зависимости от температуры. Эти свойства могут быть использованы для разработки более эффективных систем терморегулирования2,14 в зависимости от ИК-подложки, на которую нанесена пленка VO2, и ее толщины. Изменение оптических свойств тонкой пленки VO2 (M1) в МИР весьма полезно для конкретных применений, включая тепловой контроль космических кораблей, энергосберегающие здания и селективную маскировку от ИК-датчиков.

Были проведены многочисленные исследования тонких пленок VO2 (M1) (толщиной <0,90 мкм) для термохромных энергосберегающих применений в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне (NIR)19,20,21,22,23. Такие пленки VO2 демонстрируют превосходную прозрачность в ближнем ИК-диапазоне (длина волны от 1,0 до 2,5 мкм) (коэффициент пропускания> 70%) при низких температурах около 25 °C. Однако коэффициент пропускания полностью блокируется или снижается почти до нуля при температуре выше 68 °C перехода металл-изолятор. Эти исследования демонстрируют лучший контроль свойств переключения перехода изолятор-металл в ближнем ИК-диапазоне длин волн, но имеется ограниченное количество сравнительных исследований пленок VO2 (M1), работающих в диапазоне от MIR к более длинноволновой области (LWIR). Guinneton и др.15 в 2001 году изготовили тонкие пленки VO2 на подложках из диоксида кремния толщиной менее 200 нм, используя ванадиевую мишень и радиочастотное реактивное распыление для оценки контролируемых оптических свойств в инфракрасном диапазоне. Аналогичным образом, Джанмарио и др.16 нанесли тонкие пленки VO2 на кремниевую пластину, используя те же методы радиочастотного распыления, чтобы оценить оптические свойства и тепловой гистерезис в субспектральных диапазонах MIR. Естественно, оба примера требовали стадии отжига после осаждения. Сообщалось о температуре перехода около 68 ° C со значительной разницей в полосе термического гистерезиса в коротковолновой и длинноволновой областях. Недавно Dongqing et al.23 синтезировали тонкие пленки VO2 толщиной 400 и 900 нм, используя золь-гель-процесс, для оценки термохромных фазовых переходов и термохромных свойств в ИК-излучении в диапазоне длин волн 7,5–14 мкм.