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上海硅酸盐研究所用界面包覆实现提高VO2热致变色薄膜稳定性的研究

        人类社会当今面临的一个重大问题——能源危机。建筑能耗占世界总能耗的30%以上,其中近一半是通过建筑五形式流失的。二氧化钒(VO2)是一种典型的热相变材料。由于其相变温度可在室温附近进行调节,且相变前后的光学响应显著,已被用于开发热致变色智能节能窗。经过近几年研究人员的不懈努力,VO2智能窗的研究工作取得了不断的进展,在相变温度、光学性能和大规模制备方法等方面取得了突破。然而,VO2材料的不稳定性和劣化仍然是其商业化的最大障碍之一。由于V是一种多价元素,VO2中的+4价V离子由于空气中的水分和氧气的影响而被氧化为+5价V离子,从而导致热致变色薄膜的失效。目前,由于缺乏对VO2薄膜失效过程的研究,大部分文献报道都无法获得适合于商业化的稳定性改进。

         最近,由中国科学院上海硅酸盐研究所研究员金平实领导的研究小组利用界面包覆的方法,成功地提高了VO2热致变色膜的稳定性。通过构造不同界面暴露的样品结构,证明了VO2薄膜的截面面积虽然很小(截面与表面的面积比为1:200000),但在其失效过程中起着重要的作用,这在以往的研究中经常被忽视。选择具有光学常数匹配和自疏水性的HfO2作为保护层材料,同时包覆不同界面(表面和截面)的VO2薄膜,不仅改善了薄膜的热致变色效应,而且大大提高了薄膜的使用寿命。涂层结构在高温、高湿(60°C,90%相对湿度)加速老化试验环境中能相对稳定地保存100天以上,但在任何界面暴露的样品结构都会很快失效。通过对Hallberg-Peck模型的计算,预期该结构在实际环境中能稳定工作16年以上。同时,沸水浴实验和加热实验明显提高了结构的稳定性,能够满足不同环境下对VO2薄膜的要求。本研究为提高VO2薄膜的稳定性及实现相应的商业化应用提供了一种新的策略。

VO2/HfO2双层保护结构及相应的高/低温透过率光谱,其中VO2体现出亲水性表面而HfO2体现出疏水性表面

A)水分子在VO2HfO2表面可能的吸附路径;

BVO2VO2/HfO2表面的接触角测试,可以发现VO2为亲水性表面,而VO2/HfO2为疏水性表面;

C)不同界面暴露的样品结构设计示意图,分别为表面+截面全暴露、表面暴露、截面暴露以及表面+截面全包覆。

    磁控溅射薄膜的结构与温度及气压的关系,根据磁控溅射制备VO2薄膜的常用参数可以发现,其薄膜截面具有一定的微孔和裂缝,可以充当氧气及水分的通道而导致薄膜的失效。结合实验表征表明VO2薄膜的截面部分在其失效劣化过程中起到了至关重要作用。  

    该研究得到了国家自然科学基金、中科院青年创新促进会以及上海市浦江人才等项目支持。

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