二氧化钒薄膜智能窗的研究进展

二氧化钒具有良好的半导体-金属相变特性,在常温下,二氧化钒的晶体结构为单斜晶系结构(M相),随着温度的升高达到相变温度,二氧化钒的晶型变成四方晶红石结构(R相),当温度降低到相变温度时,二氧化钒的晶型又变回单斜晶系结构(M相)。这种典型可逆热色特征,使二氧化钒成为当前建筑用智能窗材料的最佳选择。综述了近些年来制备VO_2薄膜的几种常用方法,并针对VO_2薄膜在热色智能窗应用方面存在的主要问题,从掺杂和复合薄膜结构两方面总结了提高VO_2薄膜性能的改进工艺,为推进VO_2薄膜智能窗的进一步研究提供了依据。     

VO2（M）控温包装薄膜制备的研究进展

二氧化钒(VO_2)纳米颗粒具有多种晶型结构,其单斜型半导体M相(VO_2(M))在接近室温时具有完全可逆的相转变性质,相变为四方金红石金属R相,从而引起光学性能的急剧变化,因而VO_2(M)可作为良好的阻热材料应用于控温包装薄膜领域。综述了VO_2(M)纳米颗粒和控温包装薄膜的制备方法,展望了VO_2(M)控温包装薄膜的研究方向。VO_2(M)纳米颗粒的传统制备方法有一步水热法和热分解法等,近年来也出现了新型制备方法,如籽晶诱导法和火焰燃烧法等;控温包装薄膜主要的制备方法为气相法和液相法。根据不同产品的温度需求,通过改变原料种类、温度及掺杂元素等工艺参数调节VO_2(M)纳米颗粒的相变温度,可制备出不同相变温度的VO_2控温包装薄膜。VO_2(M)控温包装薄膜作为一种高新科技产物,可以有效调控商品运输和储藏过程中包装内氛围,具有广阔的应用前景。     

应用等离子体辉光监控反馈控制反应气体流量制备VO_2薄膜的研究（英文）

采用等离子体辉光监控系统(PEM)反馈控制反应溅射过程,在石英基底上制备出单斜相VO_2薄膜,并研究了反馈控制下反应溅射的等离子体相对辉光强度与氧气流量的关系。实验结果表明:在不同的反应压强(0.8 Pa、0.5 Pa、0.2 Pa)下,通过调整相对辉光强度值(REI)均可稳定获得单斜相VO_2薄膜,对应的REI值分别为0.6~0.65、0.65、0.6。XRD测试结果表明VO_2薄膜具有明显的(011)晶面取向,XPS测试结果表明薄膜的化学计量比为VO_(2.02)。VO_2薄膜在2.5μm处的变温透过率测试结果显示薄膜在相变前后的透过率变化达到65%,相变温度确定为66℃。     

MBE技术蓝宝石衬底上生长VO_2薄膜及其太赫兹和金属–绝缘体相变特性研究（英文）

采用分子束外延(MBE)技术在单晶蓝宝石衬底上生长了高质量化学计量比二氧化钒(VO_2)薄膜,通过该技术实现薄膜厚度15~60 nm精确控制。对于优化条件下VO_2薄膜,实现了电阻率变化超过4个数量级的优异金属–绝缘体相变,近似于之前报道高质量单晶VO_2相变特性。特别是通过太赫兹时域光谱分析了不同厚度的VO_2薄膜在太赫兹波段的光学特性。结果表明:VO_2薄膜的厚度对其在太赫兹波段的光学特性有很大影响。因此,为了获得更优的可靠性和重复性能,VO_2薄膜的厚度必须得到精确控制。本研究结果对于下一步VO_2基太赫兹器件研究具有重要意义。     

反应磁控溅射法制备氧化铟锡钽薄膜

利用掺锡氧化铟(ITO)靶和Ta2O5靶双靶共溅法制备了氧化铟锡钽(ITTO)薄膜,研究了在不同衬底温度和退火温度下ITTO薄膜的微结构和光电性能。ITTO薄膜具有更好的晶化程度和较低的表面粗糙度,不同的处理过程导致了晶面择优取向的转变。室温下制备的ITTO薄膜展示了较好的光电性能,提高衬底温度和合理的退火处理可以显著地提高薄膜的光电特性。载流子浓度对于近红外反射、近紫外吸收和光学禁带宽度具有重要的影响。ITTO薄膜具有较宽的光学禁带宽度。在优化制备条件下,可以获得方阻10～20Ω/□、可见光透过率大于85%以及光学禁带宽度大于4.0eV的ITTO薄膜。     

超薄铋薄膜的量子尺寸效应

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了2～16层Bi(111)薄膜的表面能和功函数,它们展现出量子尺寸效应引起的奇偶振荡.解释这种振荡需要考虑表面投影能带结构,振荡周期与量子阱态在二维布里渊区中高对称点费米能级处的穿越有关,量子阱态穿越费米能级亦引起态密度在费米能级处振荡,预示传导性质的振荡转变.     

室温磁控溅射制备(Ti,Zr)N薄膜及其性能研究

采用直流反应磁控溅射工艺,在载波片和Al基材上制备出金黄色的(Ti,Zr)N薄膜.(Ti,Zr)N薄膜具有比TiN薄膜更高的硬度和更强的耐腐蚀性能.用XRD衍射方法和扫描隧道显微镜对薄膜的晶体结构、微观表面形貌和电子结构进行了测试分析.XRD结果表明,(Ti,Zr)N薄膜为多晶态,存在TiN和ZrN两种分离相;从表面形貌可知,薄膜表面平整,晶粒排列致密且无连接松散的大颗粒;STS谱表明,Zr掺杂后,禁带宽度仍为1.64eV,但在禁带内增加了新能级,新能级的宽度分别为0.33eV和0.42eV,这也正是掺杂Zr后,薄膜仍呈现金黄色的主要原因.     

W-Mo复合离子掺杂VO2薄膜热滞回线的热调制现象

以单晶Si(100)为基底,采用无机溶胶–凝胶法在其表面制备W-Mo复合离子掺杂VO2薄膜。采用SEM、XRD等手段分析了薄膜的表面形貌和晶体结构。在热驱动下,利用原位FTIR分析了W-Mo复合离子掺杂VO2薄膜半导体–金属相变性能。结果显示:单晶Si(100)表面VO2薄膜具有(011)择优生长取向,W6+、Mo6+取代了V4+在晶格中的位置,实现置换掺杂。热滞回线分析表明,与未掺杂VO2薄膜相比,V1-x-yMoxWyO2薄膜相变温度降低,滞后温宽减小,同时相变陡然性变差,相变温宽增大;在相变温度区间内,温度路径对红外透过率具有调制效果,其调制作用受原始热滞回线的制约。     

CuInS2薄膜的单源热蒸发制备及其性能研究

本文以烧结合成的CuInS2粉末为原料,采用单源热蒸发技术在玻璃基底上沉积CuInS2薄膜。随着退火温度的升高,薄膜的结晶性能增强,表现出高度的(112)晶面择优取向,SEM观察显示:350℃退火后,薄膜致密,晶粒细小,大小为数十纳米。同时,热探针测试发现:薄膜的导电类型为弱N型。光学性能方面,当退火温度高于250℃时,CuInS2薄膜的禁带宽度为1.50 eV,接近吸收太阳光谱所需的理想禁带宽度值。     

原子层沉积低温制备高取向锐钛矿TiO_2薄膜

利用原子层沉积(ALD)法分别在Si和石英衬底上制备了Ti O_2薄膜,并在N2氛围下对Ti O_2薄膜样品进行退火处理。采用X射线衍射、原子力显微镜和场发扫描电子显微镜对不同退火温度下样品晶体结构、表面形貌进行了分析。利用紫外-可见分光光度计对不同退火温度下的Ti O_2薄膜进行了光学性能测试,并分析了退火温度对其光学带隙的影响。发现利用ALD方法制备的沉积态Ti O_2薄膜为高度择优取向的锐钛矿结构;当退火温度升高到600℃时,Ti O_2薄膜晶体结构类型仍为锐钛矿型,晶粒略有变大;退火态Ti O_2薄膜粗糙度比沉积态Ti O_2薄膜的粗糙度大,而且粗糙度随退火温度升高而增大。根据薄膜的透射光谱拟合了光学带隙,退火后薄膜禁带宽度略有变宽,吸收边缘发生蓝移。     

浸渍法VO_2薄膜的相变

本文以VO(i-OC_2H_5)_3为原料采用溶胶-凝胶浸渍法在三种不同基片上制备了凝胶薄膜,通过真空热处理得到了 VO_2薄膜。由于 VO_2在67℃左右产生热诱导半导体-金属可逆相变,红外区域透过率在加热前后可变化45%,采用红外光谱及 X 射线衍射法分析了 VO_2薄膜的结构。     

微波辅热-甲醇还原法制备M相二氧化钒粉体

为获得具有良好相变特性的M相VO_2粉体,本文以V_2O_5为原料、甲醇作还原剂,采用微波辅热制备M相VO_2粉体.探讨了微波辅热功率、填充度、反应温度、反应时间、甲醇用量因素对制备VO_2的影响,采用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)和扫描电子显微镜(SEM),对产物进行了物相、相变和形貌特征的表征.结果表明:在微波辅热功率为1 000 kW,填充度为0.7,反应温度为250℃时,反应时间为60 min,V_2O_5质量与甲醇体积比为5∶3时,得到B相的VO_2粉体;B相的VO_2再经过800℃高温热处理后完全转化为具有相变功能的M相,M相VO_2粉体纯度为99.20%,产率为92.30%,相变点温度为68.6℃,晶体形貌呈现较匀称的棒状结构,长度为1～2μm.     

基于外加热激励源的中红外激光辐照VO2薄膜温升研究

VO_2薄膜在中红外激光防护领域有着重要意义。为研究中红外激光辐照VO_2薄膜的温升累积效应及克服中红外激光器功率过小的困难,设计了一种外加热激励源的实验方法。首先利用ANSYS软件对中红外纳秒脉冲激光在不同激励源温度和不同功率密度下辐照VO_2薄膜的温升累积进行仿真,并做了实际验证。研究发现,随着外加激励温度的升高,可在一定时间(100s)内达到VO_2相变温度的激光功率密度逐渐减小,通过增加功率密度,也可以进一步降低相变所需的激励源温度。两者均提高了VO_2薄膜的温升速率。然后在激励源温度为40℃、中红外激光功率密度为1 W/mm~2的条件下研究了中红外纳秒脉冲激光参数对VO_2薄膜的温升累积效应,结果表明,增加激光脉宽、增加重频或光斑半径均能有效增加VO_2薄膜的温升速率。     

VO2薄膜的制备及其热致相变特性研究

以双氧水和V2O5粉末为前驱体制备出V2O5溶胶,然后在云母基底上成膜,通过后续热处理退火得到优异相变性能的VO2薄膜。采用SEM、XRD分析薄膜形貌和微观结构,利用FT-IR等检测薄膜的光学性质。实验表明,VO2薄膜在云母基底上沿(011)晶面择优取向生长,颗粒生长致密且大小分布均匀。薄膜具有优异的相变陡然性,相变温度及滞后温宽都较低。在红外波段,相变前后透过率及反射率变化都较大,对红外光调节性能较好;在可见光波段,薄膜在相变前后都具有较高可见光透过率。     

溶胶凝胶旋涂法制备NiO薄膜及其电致变色性能

本文利用sol-gel旋涂法在ITO玻璃衬底上成功制备了氧化镍(Ni O)薄膜。薄膜在550nm处的透过率为83.9%,直接禁带宽度为3.65 eV。XRD分析结果表明Ni O薄膜为立方晶相,沿(111),(200),(220)晶面生长,垂直于晶面(200)方向的晶粒直径尺寸大约为6.82 nm。循环伏安实验测试表明,Ni O薄膜在电化学反应过程中Ni2+不只经历了一次氧化反应,而是被氧化成更高价态的Ni3+,Ni4+价态,并通过计算得出薄膜在最强的阳极/阴极峰处的扩散系数为13.4×10-12cm2/s和2.29×10-12cm2/s,并且薄膜在550 nm处致色态与褪色态的透过率之差为36.5%,T/T为1.8。     

β-Ga2O3及Cr掺杂β-Ga2O3电子结构的第一性原理计算

运用第一性原理密度泛函理论(DFT)计算了不同交换关联势下单斜晶系β-Ga2O3的总能量、晶格常数、总态密度、分波态密度及能带结构.理论计算结果表明:单斜晶系β-Ga2O3在局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)下的晶格常数和带隙与实验值基本相符,其中LDA近似得到的晶格常数与实验值更接近;β-Ga2O3比六方晶系结构的α-Ga2O3更加稳定,但带隙比α-Ga2O3略小;Cr掺杂导致β-Ga2O3禁带宽度变小,费米能级处的态密度不为零,即变为半金属.     

Ni含量对激冷贫镍TiNi形状记忆合金薄带相变行为的影响

用激冷甩带法制备了Ti_(1-x)Ni_x(x=45%~49.8%)(原子分数)形状记忆合金(SMA)薄带,用示差扫描量热仪研究了Ni含量对铸态及450℃、500℃退火态TiNi SMA薄带相变行为的影响。结果表明,冷却/加热时,铸态和退火态Ti_(1-x)Ni_x(x=45%~49%)SMA薄带发生A→M/M→A一阶马氏体相变;当Ni含量为49.8%时,铸态和退火态TiNi SMA薄带冷却时发生A→R→M两阶段相变,加热时发生M→A一阶段相变。随Ni含量增加,TiNi SMA薄带马氏体正、逆相变温度范围先增大后减小,Ni含量为48%时相变温度范围最宽。退火态比铸态TiNi SMA薄带相变温度范围窄。随Ni含量增加,TiNi SMA薄带马氏体正、逆相变温度升高,相变热滞增大。当Ni含量为49%时,SMA薄带的马氏体相变温度达最大值,当Ni含量为49.8%时马氏体相变温度迅速下降。     

Cu/In原子比及硫化温度对于CuInS2薄膜性能影响

采用中频交流磁控溅射方法,在玻璃基底上沉积Cu-In预制膜,采用固态硫化法制备获得了CuInS2(CIS)吸收层薄膜.考察了预制膜Cu/In原子比及硫化温度对于CIS薄膜结构及禁带宽度影响.通过XRD及Raman光谱分析了薄膜结构,通过近红外透过曲线得出薄膜禁带宽度.结果表明,随着预制膜中Cu与In原子比(Cu/In)及硫化温度不断升高,薄膜CuAu(CA)相含量逐渐降低,黄铜矿(CH)相逐渐升高,薄膜结晶性逐渐改善.600℃以上硫化时薄膜中主要存在CH相CuInS2.薄膜禁带宽度随着预制膜中Cu/In原子比及硫化温度不断升高而升高,Cu/In原子比为1.05,硫化温度为500℃时薄膜禁带宽度可达1.40eV.     

W掺杂二氧化钒的水热晶化机理及其相变性能

以硫酸氧钒为钒源,采用沉淀-胶溶法制备VO_2溶胶。然后向溶胶中加入偏钒酸铵,利用溶胶水热晶化制备出W掺杂二氧化钒(W-VO_2,M相)粉体。通过XRD,FESEM和DSC对合成产物的物相组成、形貌和相变性能进行研究。结果表明:在280℃条件下水热处理4~48h,VO_2溶胶经过水热晶化生成长约1~2μm、直径约100~200nm棒状W-VO_2(B)晶体,伴随着B相向M相晶型转变,W-VO_2(B)逐渐消溶,而W-VO_2(M)逐渐长大,形貌由棒状转变为片状或雪花状;W-VO_2(M)相变温度随着W掺杂量增加而降低,当名义掺杂量为6.0%(原子分数)时,相变温度降低到28℃。根据水热晶化和形貌演变过程,提出了W-VO_2(M)可能的"形核-生长-转化-熟化"形成机理。     

应力对蓝宝石衬底上生长二氧化钒薄膜结构和光电性能的调控

利用脉冲激光沉积技术在蓝宝石衬底上生长不同厚度的VO₂薄膜, 对薄膜的结构、表面形貌和光电性能进行研究。结果表明: 所沉积的VO₂薄膜为具有单晶性能、表面平整的单斜晶相的VO₂薄膜, 相变前后, 方块电阻的变化可达到3~4个数量级, 在波长为2500 nm的透过率变化最高可达56%, 优化的可视透过率(T_lum)和太阳能调节率( ∆T_sol )为43.2%和8.7%。薄膜受到的应力对VO₂薄膜有重要影响, 可以通过调节薄膜的厚度对VO₂薄膜光电性能实现调控。当VO₂薄膜厚度较小时, 薄膜受到拉应力, 拉应力能使相变温度显著降低, 金属-绝缘体转变性能(MIT)不但与载流子浓度的变化相关, 而且还受载流子迁移率变化的影响;当VO₂薄膜厚度较大时, 薄膜受到压应力, VO₂薄膜的相变温度接近块体VO₂的相变温度, MIT转变主要来自于载流子浓度在相变前后的变化, 其载流子迁移率几乎不变。