非晶玻璃上二氧化钒薄膜的制备及光电性能调控研究

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二氧化钒(VO2)薄膜因为具有明显的金属绝缘转变(MIT)特性而在智能窗和红外探测等设备中具有广阔的应用前景。目前虽在单晶衬底能够生长出优异性能的VO2薄膜材料,但是单晶衬底价格昂贵,难以应用于商业模式,亟待需要价格低廉的衬底并且兼具优良物性的加工制备方法来引导未来VO2薄膜的商业应用。本论文的主要工作是在价格低廉的非晶玻璃衬底上利用脉冲激光技术制备VO2薄膜,并对其生长机理以及光电性能方面的调控进行了系统性的研究。本论文的相关工作将对未来VO2薄膜实现商业化模式生产及应用具有一定的理论指导意义。本论文主要研究内容及取得的成果如下:(1)研究了非晶玻璃上制备二氧化钒薄膜的过程中衬底温度对薄膜结构和相组分的影响。研究结果表明:衬底温度对玻璃上生长的VO2薄膜的晶型产生明显的影响(低温,B型和高温,M型),并且在500℃条件下生长的VO2薄膜表现出最优的光电性能。(2)研究了非晶玻璃上制备二氧化钒薄膜过程中氧压对薄膜结构和光电性能的影响。研究结果表明:氧压对钒氧的化学计量比有着显著的影响,并且能够对二氧化钒的相变温度,电阻突变率,热滞宽度以及光学特性产生显著的影响。在0.9Pa的氧压下制备的M-VO2薄膜表现出最优的光电性能。(3)在玻璃衬底上引入金红石结构的TiO2缓冲层而后生长二氧化钒薄膜,实验结果表明:引入缓冲层后,B-VO2晶型薄膜会转变为M-VO2晶型薄膜,其转变机理为Ti离子扩散对VO2的制备产生了影响。此外,不同厚度的TiO2缓冲层对M-VO2的光电性能有着明显的调控作用,TiO2缓冲层厚度为60nm的时候,样品表现出更高的电阻突变率(ΔR=5.2×102),并且最大可见光透过率(T-vis)值为53%,太阳能调节率(ΔTsol)为5.2%。(4)在玻璃衬底上引入非晶态的Cu50Zr50缓冲层而后生长二氧化钒薄膜,基于此构造的多层复合薄膜具有优异的热致变色性能。经过厚度优化后的Cu50Zr50缓冲层的引入明显增强了VO2薄膜的结晶质量和MIT性能。该缓冲层对样品的光学性能有着明显的加强:太阳能调节率达到14.3%的同时拥有最大可见光透过率为52.3%。
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