一种智能节能窗用二氧化钒基膜系及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能节能窗用二氧化钒基膜系及其制备方法。该膜系包括功能层和减反保护层，其中功能层为掺杂二氧化钒薄膜，减反保护层为光学介质，如：二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氧化铝、氮化铝、五氧化二钽等，减反保护层可以是一层或多层。掺杂二氧化钒薄膜是通过溅射法在衬底上沉积一层掺杂的金属钒膜，把上述薄膜在真空条件下通氧退火得到相变温度接近室温的掺杂二氧化钒薄膜。然后在制备好的掺杂二氧化钒薄膜表面沉积一层光学介质层，提高薄膜可见光透过率并增强薄膜耐候性。该膜系根据气温智能地调节太阳光红外辐射的入射量，实现冬暖夏凉的效果。
【专利说明】一种智能节能窗用二氧化钒基膜系及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及功能材料领域，涉及一种掺杂二氧化钒薄膜制备方法，尤其涉及一种 智能窗应用的掺杂氧化钒膜系的设计和制备方法。 技术背景
[0002] 从上个世纪八十年代就已经提出了二氧化钒可以应用到智能窗领域，从此二氧化 钒被广泛研究，无论是制备工艺还是性能都有很大改进和提升，但是二氧化钒智能窗并没 有面世。二氧化钒薄膜作为智能温控窗应用有三个关键因素：相变温度、红外调节率和可见 透过率。然而，这三个指标并不是相互独立的，大量研究工作都主要针对其中某个或部分关 键性能进行优化改进，牺牲了其他关键参数的性能，但却少有同时综合考虑作为智能窗应 用三大核心要素研究的工作报导。如文献（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)报道通过惨鹤把相变温 度调节到了 30°C附近，但其2000nm处红外调节率只有18% ;而另有文献（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)报道通过改变二氧化f凡厚度把薄膜 红外调节率提高到70%左右，但是因其薄膜厚度为300nm，可见波段几乎无透过，并且相变 温度在68°C附近，远高于室温。因此，仅仅针对部分性能优化往往会导致其他性能变差，不 能满足智能窗应用的实际需求，需要综合考虑和兼顾膜系各主要性能。
[0003] 二氧化钒的典型相变温度是68°C，高于夏季玻璃表面温度，薄膜不发生相变，没 有红外透过率智能调节功能，故不能实现冬暖夏凉效果。通过对薄膜掺杂可以把薄膜相变 温度调节到近室温，掺杂元素包括W、Mo、AI、Ti、Nb和Ta等，掺杂对红外调节率也有一定影 响，随着掺杂量增加，红外调节率也会降低。
[0004] 要提高红外调节率，就需要增加二氧化钒薄膜的厚度，但二氧化钒薄膜厚度的增 力口，会使可见光透过率下降；而可见光透过率过低，则采光效果差，难以作为智能窗应用。因 此需要选择合适的掺杂量和二氧化钒薄膜厚度，来兼顾相变温度和红外调节率。在此基础 上，再通过引入一层减反膜，来提高可见光透过率。
[0005] 本发明公开了一种适合于产业化的高性能掺杂的二氧化钒膜系的制备方法。其中 通过钒靶与掺杂钒靶共溅射，可以控制所制备的二氧化钒的掺杂量，进而调节二氧化钒薄 膜的相变温度，获得合适的相变温度和红外调节率；而通过膜系设计，获得高性能的智能窗 膜系；膜系制备方法简便易行，与大规模镀膜工艺兼容，可以推广到智能窗上应用。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种智能节能窗用二氧化钒基膜系及其制备方法。膜系包含两个主 要部分：功能层和辅助层。
[0007] 如图1所示，膜系结构为：在衬底3上依次有功能层2和减反保护层1，其中功能 层2是合适掺杂比的掺杂二氧化钒层，减反保护层1是一层或多层的二氧化硅、氮化硅、二 氧化钛、氧化铝、氮化铝或五氧化二钽光介质材料层。
[0008] 二氧化钒低于相变温度时，呈现半导体相，红外透过率高，而低于相变温度时，红 外透射过低，相变过程中，二氧化钒薄膜可见透射率几乎无变化，因此只要相变温度合适， 就可以跟着室温自动调节太阳光红外辐射的入射量，实现冬暖夏凉的效果。通过掺杂可以 把二氧化钒相变温度调节到室温附近，掺杂元素包括1^〇31、11、他和了 &等，选择合适的 掺杂比就可以获得相变温度合适的二氧化钒薄膜。其中掺杂比范围为〇. 5?4. 0%，薄膜厚 度在20?100nm。
[0009] 在功能层掺杂的二氧化钒薄膜的基础上，制备一层或多层减反保护层以提高膜系 整体性能。
[0010] 减反保护层具有两个作用：
[0011] (a)提高膜系可见透过率
[0012] 如果膜层的光学厚度是某一波长的四分之一，相邻两束光的光程差恰好为η，即 振动方向相反，叠加的结果使光学表面对该波长的反射光减少。适当选择膜层折射率，这时 光学表面的反射光可以完全消除。为了减少表面的反射光，通常是在玻璃表面镀一层低折 射率的膜薄。反射率可以用特征矩阵法算出，对单层减反膜：
[0013]
【权利要求】
1. 一种智能节能窗用二氧化钒基膜系，其结构为在衬底（3)上依次有功能层（2)和减 反保护层（1)，其特征在于： 所述的功能层（2)是掺杂比为0. 5?4. 0%掺杂二氧化钒薄膜，掺杂元素是W、Mo、AI、 Ti、Nb或Ta，薄膜厚度为20?100nm ; 所述的减反保护层（1)是一层或多层的二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氧化铝、氮化铝 或五氧化二钽光介质材料层。
2. -种制备如权利要求1所述的智能节能窗用二氧化钒基膜系的方法，其特征在于包 括以下步骤： 1) 通过溅射的方法制备掺杂的金属钒膜，为了使得后续处理过程后膜系具有一定可见 光透过率和红外调节特性，金属钒钨膜厚度控制在20?80nm ; 2) 采用真空通氧退火的方法把掺杂金属钒膜退火氧化成掺杂二氧化钒薄膜，薄膜厚度 为 20 ?100nm ; 3) 测试掺杂二氧化钒薄膜的透射谱和反射谱，通过软件提取掺杂二氧化钒薄膜的光学 常数； 4) 应用掺杂二氧化钒膜和光学介质的光学常数，设计智能窗用二氧化钒膜系，在软件 中模拟各层厚度对膜系整体性能的影响； 5) 通过溅射的方法制备掺杂的金属钒膜，膜层厚度依据模拟中性能优异的区段进行选 择； 6) 采用真空通氧退火的方法把金属钒钨膜退火氧化成掺杂二氧化钒薄膜； 7) 通过溅射的方法在膜层表面沉积一层减反层，减反层厚度依据模拟中性能优异的区 段进行选择。
【文档编号】C03C17/34GK104250068SQ201410403361
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】王少伟, 刘星星, 陆卫, 俞立明, 陈效双 申请人:中国科学院上海技术物理研究所