一种多孔周期式二氧化钒结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔周期式二氧化钒结构及其制备方法，采用自组装技术形成周期式SiO2阵列，采用磁控溅射的方式溅射钒薄膜，然后在快速退火炉中进行快速氧化退火，最后进行酸腐蚀形成周期式纳米颗粒VO2结构，在整个过程中没有其他物质的复合引入，制备过程简单，易于控制，实现VO2智能窗光学性能的提高。

A Porous Periodic Vanadium Dioxide Structure and Its Preparation Method

The invention discloses a porous periodic vanadium dioxide structure and its preparation method. The periodic SiO 2 array is formed by self-assembly technology, the vanadium film is sputtered by magnetron sputtering, then rapidly oxidized annealed in a rapid annealing furnace, and finally acid corrosion is carried out to form Periodic nanoparticle VO2 structure. No other compound is introduced in the whole process, and the preparation has been completed. The process is simple and easy to control. The optical performance of VO2 intelligent window is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔周期式二氧化钒结构及其制备方法
本专利技术涉及一种多孔周期式二氧化钒结构及其制备方法。
技术介绍
2016年由前瞻产业研究院发布的《2013-2017年中国智能建筑行业市场前景与投资战略规划分析报告》显示，我国建筑能耗的总量逐年上升，在能源总消耗中占比高达33％。随着城镇化进程的不断加快和人口数量不断增长，城市建筑面积以每年20亿平方米的速度增长，若不采取有效的建筑节能措施，这会加剧资源的消耗，严重制约我国可持续发展战略，阻碍居民推进绿色城市，绿色生活的步伐。其中为了调节室内温度适宜，由暖气和空调等制冷设备的能耗约占总建筑能耗的50％，热量主要通过建筑墙、门窗、地板等外围结构流失到外面，在这之中窗户作为建筑与外界环境最主要的热交换通道，占据建筑流入或者流失热量的50％，可以说窗户节能是建筑节能的关键环节。最近几年发展起来的可主动响应环境温度变化的VO2智能窗户受到了产学研界的广泛关注。二氧化钒(VO2)是一种温度敏感材料，在68℃会发生由半导体相到金属相的改变，相变过程中，晶体结构由低温单斜金红石结构变为高温四方金红石结构，相变前后VO2的光学和电学性能发生可逆快速突变，尤其是在近红外波段VO2的透射发生由高透射向低透射的转变，出现明显的开和关两种状态。由于具有这种透射转变并且转变温度不是很高的的特性，VO2成了制备智能窗的理想材料。为了使VO2智能窗真正得到广泛的应用，智能窗的可见光透过率必须达到60％以上，太阳光调至效率达到8％以上。目前国内外研究者大多都致力于利用其他抗反射材料与VO2进行复合。二氧化钛，氧化锌等同VO2薄膜复合能够有效的提高VO2光学性能，但是提高幅度不明显，仍然未能满足VO2智能窗的正常应用。通过制备周期式多孔VO2，改变其自身结构出发来提高光学性能是现在研究VO2智能窗应用的方向之一，而目前鲜有通过制备周期式纳米颗粒结构来实现提高VO2智能窗光学性能的报道。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供一种多孔周期式二氧化钒结构及其制备方法，解决现有技术中传统的利用复合薄膜等方式提高VO2智能窗光学性能效果不佳的问题。本专利技术的技术方案是：一种多孔周期式二氧化钒结构，由以下方法制备：(1)蓝宝石基底的清洗：将蓝宝石片依次放入去离子水、丙酮以及无水乙醇中分别超声清洗，除去表面的有机杂质；再用去离子水洗净，最后将蓝宝石基片放入无水乙醇中备用；(2)周期式SiO2球的制备：将0.18g/ml的SiO2原液和无水乙醇按照1：6比例配成悬浮液，把清洗干净的玻璃引流片插入到去离子水表面，将SiO2混合溶液滴加在玻璃片上，形成SiO2单层排布阵列结构，将蓝宝石基底浸入至液面下，用镀膜提拉机缓慢提拉，提拉速度为20～150um/min，提拉完毕后在蓝宝石衬底上形成均匀排列的SiO2周期阵列结构；(3)制备钒薄膜：将步骤(2)得到的含周期阵列SiO2球的基片置于DPS-Ⅲ型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.95％的金属钒作为靶材，以质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，在表面沉积厚度为100纳米的钒薄膜；(4)二氧化钒薄膜的制备：将步骤(3)制得的钒薄膜放于快速退火炉中进行快速氧化热退火；(5)二氧化钒纳米颗粒的制备：将步骤(4)得到的VO2薄膜放置于0.1mol/L的稀硝酸溶液，浸泡0～8min,酸处理得到周期式分布的VO2纳米颗粒结构，浸泡完毕后使用去离子水冲洗样品表面，洗刷掉残留表面的杂质成分。一种多孔周期式二氧化钒结构的制备方法，包括以下步骤：(1)蓝宝石基底的清洗：将蓝宝石片依次放入去离子水、丙酮以及无水乙醇中分别超声清洗，除去表面的有机杂质；再用去离子水洗净，最后将蓝宝石基片放入无水乙醇中备用；(2)周期式SiO2球的制备：将0.18g/ml的SiO2原液和无水乙醇按照1：6比例配成悬浮液，把清洗干净的玻璃引流片插入到去离子水表面，将SiO2混合溶液滴加在玻璃片上，形成SiO2单层排布阵列结构，将蓝宝石基底浸入至液面下，用镀膜提拉机缓慢提拉，提拉速度为20～150um/min，提拉完毕后在蓝宝石衬底上形成均匀排列的SiO2周期阵列结构；(3)制备钒薄膜：将步骤(2)得到的含周期阵列SiO2球的基片置于DPS-Ⅲ型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.95％的金属钒作为靶材，以质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，在表面沉积厚度为100纳米的钒薄膜；(4)二氧化钒薄膜的制备：将步骤(3)制得的钒薄膜放于快速退火炉中进行快速氧化热退火；(5)二氧化钒纳米颗粒的制备：将步骤(4)得到的VO2薄膜放置于0.1mol/L的稀硝酸溶液里，浸泡0～8min，酸处理得到周期式分布的VO2纳米颗粒结构，浸泡完毕后使用去离子水冲洗样品表面，洗刷掉残留表面的杂质成分。所述步骤(3)溅射条件为本底真空度4×10-4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为48mL/min，溅射工作气压为2Pa，溅射功率150W，溅射时间10min-25min。所述步骤(4)快速退火炉炉内温度的改变规律分为为升温、保温、降温三个阶段，热氧化时通入的气体为高纯氧气，升温和保温时气体流量固定为7slpm，其余阶段气体流量固定为10slpm，保温温度为480℃，升温速率通过设定保温温度和升温时间来确定，其值固定为50℃/s，升温时间9.6s，保温时间70s-150s，降温时间90s。与已有技术相比，本专利技术的有益效果为：1)制备的周期式氧化钒纳米颗粒结构，可同时提高其可见光透过率和太阳光调制能力的方法较为简单，控制的工艺条件较少，且易于控制。2)先溅射金属钒薄膜，然后在进行热退火，最后进行酸腐蚀处理，与实际工厂生产相似，适合大批量生产。本专利技术采用自组装技术形成周期式SiO2阵列，采用磁控溅射的方式溅射钒薄膜，然后在快速退火炉中进行快速氧化退火，最后进行酸腐蚀形成周期式纳米颗粒VO2结构，在整个过程中没有其他物质的复合引入，制备过程简单，易于控制，实现VO2智能窗光学性能的提高。附图说明图1是传统平面VO2薄膜结构与本专利技术周期式VO2纳米颗粒结构概念示意图；(a)传统平面VO2薄膜结构,(b)周期式VO2纳米颗粒结构；图2不同时间酸腐蚀后周期式纳米颗粒结构VO2的可见光透过率的变化图；图3不同时间酸腐蚀后周期式纳米颗粒结构VO2的太阳光调制效率变化图；图4最佳腐蚀时间(6min)后的周期式纳米颗粒结构VO2同平面VO2薄膜光学比较图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。本专利技术所用原料均采用市售材料。1)蓝宝石清洗所用蓝宝石是在市场上购买的(001)晶面的双抛光的蓝宝石，厚度为0.45mm，尺寸1cm*1cm。将蓝宝石片一次放入去离子水、丙酮以及无水乙醇中分别超声清洗20分钟，出去表面的有机杂质；再用去离子水洗净，最后将蓝宝石基片放入无水乙醇中备用。2)周期式SiO2球的制备将市场上购买的直径300纳米的0.18g/ml的SiO2原液和无水乙醇按照1：6比例配成悬浮液，把清洗干净的玻璃引流片插入到去离子水表面，将SiO2混合溶液滴加在玻璃片上，形成SiO2单层排布阵列结构，将蓝宝石基底浸入至液面下，用镀膜提拉机缓慢提拉，提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔周期式二氧化钒结构，其特征在于，由以下方法制备：(1)蓝宝石基底的清洗：将蓝宝石片依次放入去离子水、丙酮以及无水乙醇中分别超声清洗，除去表面的有机杂质；再用去离子水洗净，最后将蓝宝石基片放入无水乙醇中备用；(2)周期式SiO2球的制备：将0.18g/ml的SiO2原液和无水乙醇按照1：6比例配成悬浮液，把清洗干净的玻璃引流片插入到去离子水表面，将SiO2混合溶液滴加在玻璃片上，形成SiO2单层排布阵列结构，将蓝宝石基底浸入至液面下，用镀膜提拉机缓慢提拉，提拉速度为20～150um/min，提拉完毕后在蓝宝石衬底上形成均匀排列的SiO2周期阵列结构；(3)制备钒薄膜：将步骤(2)得到的含周期阵列SiO2球的基片置于DPS‑Ⅲ型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.95％的金属钒作为靶材，以质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，在表面沉积厚度为100纳米的钒薄膜；(4)二氧化钒薄膜的制备：将步骤(3)制得的钒薄膜放于快速退火炉中进行快速氧化热退火；(5)二氧化钒纳米颗粒的制备：将步骤(4)得到的VO2薄膜放置于0.1mol/L的稀硝酸溶液里，浸泡0～8min，酸处理得到周期式分布的VO2纳米颗粒结构，浸泡完毕后使用去离子水冲洗样品表面，洗刷掉残留表面的杂质成分。...

【技术特征摘要】
1.一种多孔周期式二氧化钒结构，其特征在于，由以下方法制备：(1)蓝宝石基底的清洗：将蓝宝石片依次放入去离子水、丙酮以及无水乙醇中分别超声清洗，除去表面的有机杂质；再用去离子水洗净，最后将蓝宝石基片放入无水乙醇中备用；(2)周期式SiO2球的制备：将0.18g/ml的SiO2原液和无水乙醇按照1：6比例配成悬浮液，把清洗干净的玻璃引流片插入到去离子水表面，将SiO2混合溶液滴加在玻璃片上，形成SiO2单层排布阵列结构，将蓝宝石基底浸入至液面下，用镀膜提拉机缓慢提拉，提拉速度为20～150um/min，提拉完毕后在蓝宝石衬底上形成均匀排列的SiO2周期阵列结构；(3)制备钒薄膜：将步骤(2)得到的含周期阵列SiO2球的基片置于DPS-Ⅲ型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.95％的金属钒作为靶材，以质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，在表面沉积厚度为100纳米的钒薄膜；(4)二氧化钒薄膜的制备：将步骤(3)制得的钒薄膜放于快速退火炉中进行快速氧化热退火；(5)二氧化钒纳米颗粒的制备：将步骤(4)得到的VO2薄膜放置于0.1mol/L的稀硝酸溶液里，浸泡0～8min，酸处理得到周期式分布的VO2纳米颗粒结构，浸泡完毕后使用去离子水冲洗样品表面，洗刷掉残留表面的杂质成分。2.根据权利要求1所述多孔周期式二氧化钒结构，其特征在于，所述步骤(3)溅射条件为本底真空度4×10-4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为48mL/min，溅射工作气压为2Pa，溅射功率150W，溅射时间10min-25min。3.根据权利要求1所述多孔周期式二氧化钒结构，其特征在于，所述步骤(4)快速退火炉炉内温度的改变规律分为为升温、保温、降温三个阶段，热氧化时通入的气体为高纯氧气，升温和保温时气体流量固定为7slpm，其余阶段气体流量固定为10slpm，保温温度为480℃，升温速率通过设定保温温度和升温时间来确定，其值固定为50℃/s，升温时间9.6s，保温时间70s-150s，降温时间90s。4.一种多孔周...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁继然，苏天宇，张颖，杨治彬，张叶，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12