一种高性能及高稳定性二氧化钒基热致变色涂层及其制备方法与流程

本发明涉及一种高性能及高稳定性二氧化钒基热致变色涂层及其制备方法，属于新型无机功能材料领域。

背景技术：

能源危机以及全球温室效应是当今人类社会所面临的重大挑战。随着人类社会的快速发展，由于建筑取暖、制冷、采光以及通风所带来的建筑能耗已经成为了社会能耗的主要组成部分。相关统计显示，建筑能耗已经占到了社会总能耗的30％-40％，并且导致了全球约30％的人为温室气体的排放。在建筑玻璃上使用变色材料，对进出玻璃的太阳光进行调控，是一种降低建筑能耗的有效方法。目前经常使用的变色材料的机理可分为电致变色、热致变色、气致变色以及光致变色等。其中，以vo2为代表的热致变色材料，由于可根据环境温度的不同而呈现不同的太阳光透过率，不需要外加能量的激发，从而实现对太阳光的智能调控，达到建筑节能的目的。

vo2是一种被广泛研究的相变材料，在相变温度68℃附近表现出其特有的可逆的金属-半导体转变特性：在低于其相变温度时，vo2为单斜相，表现为半导体态，对于太阳光光谱中的红外光部分的透过率高，在电学上表现为相对高电阻状态；随着温度的升高，当温度超过其相变温度时，vo2材料发生相变，由单斜相转变为四方相，表现为金属态，对太阳光光谱红外部分呈现低透过，电学性能上变现为相对低电阻状态。根据vo2材料在相变前后对红外光的调节作用，可以作为节能涂层，实现其在建筑节能玻璃上的应用。

在vo2节能涂层制备及应用方面，仍存在相应的技术难点，限制了其在建筑节能方面的应用：首先，对于物理溅射法所制备的vo2基薄膜，其太阳光调节效率一般低于10％，尚且无法满足实际应用的需要；其次，由于vo2材料在短波范围内的光吸收，导致其可见光透过率较低，对于单层80nm左右的vo2薄膜，其可见光透过率一般低于30％；再者，由于v为一种变价元素，在vo2中v为+4价，并非稳定价态，而在实际环境中使用时，+4价的v会逐渐被氧化为+5价的v，会逐渐丧失其热致变色性能。

在关于vo2基节能涂层的文献报道中，中国专利《一种高耐候性多功能热色玻璃》(申请公开号：cn102126832b)公开了一种采用nicrox抑制层以及掺钨二氧化钛层来提高二氧化钒耐候性的方法。但其所采用的工艺复杂，除衬底之外，共五层结构，且中间需要掺杂过程；并且其膜层的制备温度较高且不一致，制备过程能耗增加。中国专利《一种氧化硅红外增透氧化钒薄膜的制备方法》(申请公开号：cn104928641a)公开了一种采用氧化硅层来增透氧化钒薄膜的方法。但是该方法采用的是较为昂贵的蓝宝石衬底，难以应用于大规模工业生产中。sw.long等在2016年于rscadvances报道了使用wo3层来提高vo2可见光透过率和环境温度性的方法。然而，该方法所得到的太阳光调节效率较低，最高值仅为6.1％，远远无法满足实际使用的需求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高性能及高稳定性二氧化钒基热致变色涂层及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种二氧化钒基热致变色涂层，所述二氧化钒基热致变色涂层包括依次形成在衬底表面的模板稳定层、热致变色层和增透保护层；

所述热致变色层为纯相二氧化钒薄膜或掺杂二氧化钒薄膜，所述模板稳定层的材料为三氧化二铬cr2o3、三氧化二钒v2o3、三氧化二铁fe2o3和三氧化二铝al2o3中的至少一种。

本发明采用的模板稳定层的晶格常数与结构与热致变色层(vo2薄膜或掺杂vo2薄膜)匹配良好，可诱导热致变色层(纯相二氧化钒薄膜或掺杂二氧化钒薄膜)的生长；并且所使用的模板稳定层材料的光学折射率符合对于vo2薄膜增透的要求，可以在一定程度提高膜层的可见光透过率；并且模板层材料可以在一定程度上提高热致变色层的环境稳定性。所制备的热致变色层具有显著的太阳光调节能力。所采用的增透保护层，可以在提高涂层的可见光透过率的同时，大幅度地增强其环境稳定性。例如，本发明中生长的三氧化二钒层，为六方晶系，是可以诱导四方晶系二氧化钒的生长，采用三氧化二钒层的目的为起到模板稳定层的作用，提高二氧化钒的结晶性，并且在一定程度上提高膜层的环境稳定性。

较佳地，所述模板稳定层的厚度为1～300nm，优选为20～80nm。

较佳地，所述热致变色层的厚度为10～300nm，优选为40～100nm。

较佳地，所述增透保护层的材料为氧化铝al2o3、氧化锌zno、二氧化硅sio2、二氧化锆zro2、二氧化铪hfo2、二氧化钛tio2、二氧化铈ceo2、二氧化锡sno2、五氧化二钽ta2o5、五氧化二铌nb2o5、氮化硅sinx中的至少一种。

较佳地，所述增透保护层的厚度为1～300nm，优选为60～120nm。

较佳地，所述掺杂二氧化钒薄膜中掺杂元素为w、ti、ta、nb、mo、al、v³⁺和v⁵⁺中的至少一种。

较佳地，所述衬底为普通浮法玻璃、石英玻璃、硅片和蓝宝石中的一种。

另一方面，本发明提供了一种上述的二氧化钒基热致变色涂层的制备方法，包括：

将衬底置于真空中并保持温度为150～450℃；

选用模板稳定层所用材料的金属靶材或陶瓷靶材，并采用直流溅射或射频溅射在衬底表面制备模板稳定层；

选用热致变色层所用材料的金属靶材或陶瓷靶材，并采用直流溅射或射频溅射在模板稳定层表面制备热致变色层；

选用增透保护层所用材料的金属靶材或陶瓷靶材，并采用直流溅射或射频溅射在热致变色层表面制备增透保护层。

本发明采用该方法能制备出稳定性好，重复性高，均匀性良好的vo2纯相薄膜或掺杂二氧化钒薄膜，适合vo2基热致变色涂层镀膜的批量生产。并且所得到的vo2基薄膜具有优异的太阳光调节能力以及环境稳定性，可以实现长期服役使用。

较佳地，所述真空的真空度小于10^-4pa。

较佳地，所述射频溅射的参数包括：溅射功率20～200w，工作气氛为ar气或/和o2气，工作气压为0.2～2pa，溅射时间为5～300分钟；

所述直流溅射的参数包括：溅射功率20～200w，工作气氛为ar气或/和o2气，工作气压为0.2～2pa，溅射时间为5～300分钟。

较佳地，所述ar气的气流为10～100sccm，所述o2气的气流为1～30sccm；

优选地所述ar气和o2气的流速比为(30～60)：(2～5)。

本发明采用的模板稳定层的晶格常数与结构与vo2匹配良好，可诱导vo2涂层(热致变色层)生长，提高vo2涂层的热致变色性能，并且在一定程度上增强vo2涂层的环境稳定性；然后，在模板稳定层的基础上制备二氧化钒或掺杂二氧化钒薄膜；最后，在沉积好的复合涂层表面制备增透保护层，可以在提高vo2涂层的可见光透过率的同时，大幅度地增强其环境稳定性。该二氧化钒基热致变色涂层的制备温度范围广，具有优越的热致变色性能以及卓越的环境稳定性。本发明工艺简单，无需后续处理，成本相对降低；所得到的涂层，可以根据环境温度实现智能调节太阳光辐照量，节约相应能耗。

附图说明

图1为实施例1所制备的vo2薄膜经加速老化实验后的高低温透过光谱；

图2为实施例1所制备的vo2薄膜经开关实验后的高低温透过光谱；

图3为实施例2所制备的vo2基薄膜的x射线衍射谱图；

图4为实施例2所制备的vo2基薄膜的raman谱图；

图5为实施例2所制备的vo2基薄膜经加速老化实验后的高低温透过光谱；

图6为实施例2所制备的vo2基薄膜经开关实验后的高低温透过光谱；

图7为实施例3所制备的vo2基薄膜经加速老化实验后的高低温透过光谱；

图8为实施例3所制备的vo2基薄膜经开关实验后的高低温透过光谱；

图9为实施例3所制备的vo2基薄膜进行光学计算结果：a和b分别为随cr2o3和sio2厚度的改变，二氧化钒基热致变色涂层在半导体态和金属态的可见光透过率变化；c和d分别为随cr2o3和sio2厚度的改变，二氧化钒基热致变色涂层在半导体态和金属态的太阳光透过率变化；

图10为本发明的复合涂层的结构示意图。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明中，高性能及高稳定性二氧化钒(vo2)基热致变色涂层除衬底之外，其包括三层结构，从下而上分别为模板稳定层，热致变色层以及增透保护层，如图10所示。在本涂层中，模板稳定层可选择三氧化二铬(cr2o3)、三氧化二钒(v2o3)等与vo2晶格匹配的膜层。由于模板稳定层的所选用材料于vo2(r)晶格匹配，能够起到为vo2生长提供模板层的作用，诱导vo2层生长。所述热致变色层，可采用纯相二氧化钒薄膜(纯相vo2薄膜)或者掺杂vo2薄膜，掺杂元素可为w、ti、ta、nb、mo、al以及其他价态v元素，例如+3价v以及+5价v，同时掺杂元素可以为上述元素中的一种或多种。增透保护层可所选用的材料为稳定性好的光学增透薄膜，可以在提升涂层可见光透过率的同时，提高涂层的环境稳定性能如：氧化铝(al2o3)、氧化锌(zno)、二氧化硅(sio2)、二氧化锆(zro2)、二氧化铪(hfo2)、二氧化钛(tio2)、二氧化铈(ceo2)、二氧化锡(sno2)、五氧化二钽(ta2o5)、五氧化二铌(nb2o5)、氮化硅(sinx)等。

本发明通过对于膜层进行光学计算，以确定模板稳定层、热致变色层和增透保护层的最佳适宜厚度，例如对于例3中的cr2o3/vo2/sio2结构进行了光学优化和计算。其中，模板稳定层的厚度可为1～300nm，优选为20～80nm。热致变色层的厚度可为10～300nm，优选为40～100nm。增透保护层的厚度可为1～300nm，优选为60～120nm。在上述厚度范围内，有利于二氧化钒基热致变色涂层的光学性能的提高。对于模板稳定层，厚度不够的话无法起到模板层的作用，使得热致变色层结晶度无法满足要求；太厚的话，则会由于模板层本身的颜色及干涉作用，导致膜层的可见光透过率降低。对于热致变色层，厚度不够的话不具有有效的太阳光调节效率；太厚的话，则会由于热致变色层本身的颜色会导致膜层的可见光透过率降低。对于增透保护层，厚度不够的话无法起到增透和保护的作用；太厚的话，则会由于各膜层之间的干涉效果，导致膜层的可见光透过率降低。如图9所示，对于cr2o3/vo2/sio2膜层结构的光学计算，可以看出膜层透过率与膜层厚度之间的关系。应注意，本发明中所述模板稳定层可选用结晶温度低、晶格参数与结构和vo2匹配良好的半导体材料，其可以在诱导vo2层生长的同时，一定程度上起到提高vo2环境稳定性的作用。所述模板稳定层可为三氧化二铬层、三氧化二钒层等中至少一层。本发明中，所述的增透保护层可选用化学稳定性好、价格低廉的光学介质膜，例如氧化铝层、氧化锌层、二氧化硅层、二氧化锆层、二氧化铪层、二氧化钛层、二氧化铈层、二氧化锡层、五氧化二钽层、五氧化二铌层、氮化硅层等中的至少一层。

以下示例性地说明本发明提供的高性能及高稳定性二氧化钒(vo2)基热致变色涂层。以普通浮法玻璃、石英玻璃、蓝宝石等为衬底，依次包括以下步骤：(1)衬底的清洗与预处理；(2)模板稳定层的制备；(3)热致变色层的制备；(4)增透保护层的制备。在各膜层的制备过程中，采用磁控溅射的方法制备各个膜层，其制备参数如下：溅射前背底真空小于10^-4pa，溅射电源根据靶材的不同采用射频或直流电源。

衬底清洗与处理。将衬底置于真空中并保持温度为150～450℃。所述真空(背底真空)的真空度小于10^-4pa。作为一个示例，将玻璃衬底先经过丙酮、异丙醇和去离子水清洗，然后用氮气吹干，固定于溅射托盘上。在沉积前，玻璃衬底被加热至150～450℃，并且保持沉积温度不变。

模板稳定层的制备。本发明可采用两种方式进行模板稳定层的制备。一种方式是采用与所选材料相应的金属靶，采用直流溅射或射频溅射，工作气体为ar+o2。另一种方法是采用精确化学计量比的陶瓷靶作为靶材，采用射频溅射在适合气氛中直接沉积。

热致变色层的制备。本发明可以选择金属靶v靶或陶瓷靶：v2o3靶、vo2靶和v2o5靶，采用直流溅射或射频溅射，在适合的工作气体下来制备纯相vo2薄膜；或者在采用上述靶材的同时，另外使用w、ti、ta、nb、mo、al等金属靶或上述元素的氧化物靶，采用直流或射频溅射，在适合的工作气体下制备掺杂的vo2薄膜。

增透保护层的制备。本发明可根据所选用增透保护层材料的不同，选择使用相应的金属靶或者陶瓷靶作为溅射靶材，选用直流电源或射频电源作为溅射电源，溅射过程中需通入适当的工作气体，制备增透保护层。

本发明中，上述射频溅射的参数可包括：溅射功率20～200w，工作气氛为ar气或/和o2气，工作气压为0.2～2pa，溅射时间为5～300分钟。上述直流溅射的参数可包括：溅射功率20～200w，工作气氛为ar气或/和o2气，溅射时工作气体的总压保持在0.2～2pa，溅射时间为5～300分钟。

本发明制备的vo2基热致变色涂层具有优异的热致变色性能，所使用的底层模板稳定层以及上层的增透保护层，均有益于中间vo2热致变色层可见光透过率的提高以及太阳光调节效率的提高。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

溅射衬底采用普通浮法玻璃或石英玻璃。衬底先后用丙酮、异丙醇以及去离子水分别超声清洗5分钟，然后用n2枪吹干。然后将洁净的衬底固定在样品台，然后放入过渡腔进行抽真空。待过渡腔的真空度抽至6pa以下后，通过机械臂将衬底传入溅射腔。开启衬底加热系统，将玻璃片加热至450℃，并保持该恒定温度。

接下来是单层vo2热致变色涂层的制备，其制备条件如下：使用v2o3陶瓷靶材，溅射电源为直流电源，设定溅射功率为100w，工作气氛为高纯度的ar气(纯度高于99.999％)和高纯度o2气(纯度高于99.99％)的混合气体,ar气和o2气的流速比例为55sccm：5sccm，工作气压保持在0.8pa左右，溅射时间为20分钟。此时玻璃衬底上所得到的vo2厚度约为70nm。对所得样品进行光谱测试，样品在高低温下透过率光谱表明，制备的单层vo2涂层具有较好的热致变色性能，对太阳光光谱(350-2600nm)的高低温调节效率为8.1％，可见光透过率约为31.9％，如图1中“0小时”所示。与报道的高温制备的vo2涂层热致变色性能相当。

对样品进行加速老化实验可以发现，在相对湿度90％，恒温60℃的环境中，所得到的单层vo2涂层，在经过100小时之后，其热致变色性能便出现了明显的下降。经过200小时之后，其高低温透过率光谱无明显差异，表明已完全丧失热致变色性能，如图1所示。而对相同条件下制备的样品进行开关实验，在经过4000次循环之后，样品的高低温透过率差值发生显著的变化，如图2所示。上述两个实验可以表明，对于单层的vo2涂层，其热致变色性能在长期服役过程中存在严重的劣化现象，其环境稳定性亟待提升。

实施例2

溅射衬底采用普通浮法玻璃或石英玻璃。衬底先后用丙酮、异丙醇以及去离子水分别超声清洗5分钟，然后用n2枪吹干。然后将洁净的衬底固定在样品台，然后放入过渡腔进行抽真空。待过渡腔的真空度抽至6pa以下后，通过机械臂将衬底传入溅射腔。开启衬底加热系统，将玻璃片加热至350℃，并保持该恒定温度。

首先是cr2o3模板稳定层的制备，其制备条件如下：使用cr2o3陶瓷靶材，溅射电源为射频电源，设定溅射功率为100w，工作气氛为高纯度的ar气(纯度高于99.99％)，ar气的气体流速为60sccm，工作气压保持在0.8pa左右，射频溅射功率设定为100w，溅射时间为20分钟，此时cr2o3厚度约为40nm。

接下来是vo2热致变色涂层的制备，其制备条件如下：使用v2o3陶瓷靶材，溅射电源为直流电源，设定溅射功率为100w，工作气氛为高纯度的ar气(纯度高于99.999％)和高纯度o2气(纯度高于99.99％)的混合气体，ar气和o2气的流速比例为55sccm：5sccm，工作气压保持在0.8pa左右，溅射时间为20分钟。此时玻璃衬底上所得到的vo2厚度约为70nm。xrd测试结果表明，由于cr2o3模板稳定层的作用，所制备的vo2薄膜为单斜相，无其他杂峰，如图3所示。图4所示样品的raman谱图也表明所得样品为结晶性良好的单斜相vo2薄膜。对所得样品进行光谱测试，样品在高低温下透过率光谱表明，制备的cr2o3/vo2结构的涂层对太阳光光谱(350-2600nm)的高低温调节效率为11.8％，低温可见光透过率约为45.8％，如图5所示中“0小时”。

对样品进行加速老化实验可以发现，在相对湿度90％，恒温60℃的环境中，所得到的cr2o3/vo2涂层，在经过200小时之后，其热致变色性能出现明显下降，太阳光调节效率已由初始的11.8％下降至7.2％。经过300小时之后，其高低温透过率光谱无明显差异，太阳光调节效率仅剩1.4％，表明已基本丧失热致变色性能，如图5所示。而对相同条件下制备的样品进行开关实验，在经过4000次循环之后，样品的高低温透过率差值发生显著的变化，如图6所示。相对于实施例1中的单层vo2涂层，实施例2中制备的cr2o3/vo2涂层，由于cr2o3层对于vo2层的模板稳定作用，其热致变色性能在长期服役过程中环境稳定性有了一定的提升。

实施例3

溅射衬底采用普通浮法玻璃或石英玻璃。衬底先后用丙酮、异丙醇以及去离子水分别超声清洗5分钟，然后用n2枪吹干。然后将洁净的衬底固定在样品台，然后放入过渡腔进行抽真空。待过渡腔的真空度抽至6pa以下后，通过机械臂将衬底传入溅射腔。开启衬底加热系统，将玻璃片加热至350℃，并保持该恒定温度。

首先是cr2o3模板稳定层的制备，其制备条件如下：使用cr2o3陶瓷靶材，溅射电源为射频电源，设定溅射功率为100w，工作气氛为高纯度的ar气(纯度高于99.99％)，ar气的气体流速为60sccm，工作气压保持在0.8pa左右，射频溅射功率设定为100w，溅射时间为20分钟，此时cr2o3厚度约为40nm。

接下来是vo2热致变色涂层的制备，其制备条件如下：使用v2o3陶瓷靶材，溅射电源为直流电源，设定溅射功率为100w，工作气氛为高纯度的ar气(纯度高于99.99％)和高纯度o2气(纯度高于99.99％)的混合气体，ar气和o2气的流速比例为55sccm：5sccm，工作气压保持在0.8pa左右，溅射时间为20分钟。此时得到的vo2厚度约为70nm。

最后是sio2增透保护层的制备，其制备条件如下：使用sio2陶瓷靶材，溅射电源选用射频电源，设定溅射功率为150w，工作气氛为高纯度的ar气(纯度高于99.99％)，流速为60sccm，工作气压保持在0.8pa左右，溅射时间为30分钟。此时得到的sio2厚度约为90nm。

对所得样品进行光谱测试，样品在高低温下透过率光谱表明，制备的cr2o3/vo2/sio2结构的涂层对太阳光光谱(350-2600nm)的高低温调节效率为16.1％，低温可见光透过率约为54.0％，如图7中“0小时”所示。与实施例2中高温制备的单层vo2涂层相比，所制备的cr2o3/vo2/sio2涂层具有更高的调节效率以及可见光透过率。通过使用光学计算软件对于cr2o3/vo2/sio2结构进行光学计算，可以发现对于80nm厚度的vo2，当cr2o3和sio2的厚度分别约为40nm和90nm时，cr2o3/vo2/sio2结构表现为最高的可见光透过率和太阳光调节效率，如图9所示。

对样品进行加速老化实验可以发现，在相对湿度90％，恒温60℃的环境中，所得到的cr2o3/vo2/sio2涂层，在经过500小时之后，其热致变色性能无明显衰减，其太阳光调节效率仍保持在15.6％。经过1000小时加速老化实验之后，其高低温透过率光谱无明显差异，其调节效率为15.3％，如图7所示。而对相同条件下制备的样品进行开关实验，在经过4000次循环之后，样品的高低温透过率差值无明显变化，太阳光调节效率为15.6％，如图8所示。相对于实施例1中的单层vo2涂层以及实施例2中制备的cr2o3/vo2涂层，由于顶层的sio2层对于vo2层的保护作用，cr2o3/vo2/sio2涂层的热致变色性能在长期服役过程中，环境稳定性有了显著的提升。本发明所提出的cr2o3/vo2/sio2涂层是一种高性能及高稳定性二氧化钒基热致变色涂层，可应用于大规模工业化生产。