一种二氧化钒薄膜在玻璃上的低温沉积方法技术

本发明专利技术利用晶体生长的模板诱导作用原理，提供了一种二氧化钒薄膜在玻璃衬底上的低温沉积方法。以玻璃为衬底，依次包括如下步骤：（ａ）玻璃衬底的清洗与预处理；（ｂ）制备二氧化硅扩散阻隔层；（ｃ）制备金属氧化物缓冲层；（ｄ）制备二氧化钒热色层。本发明专利技术采用的金属氧化物缓冲层材料在可见光区域透明、结晶温度低、晶形与二氧化钒能够很好匹配，在二氧化钒薄膜的生长过程能产生模板诱导作用，从而可大幅降低二氧化钒薄膜的沉积温度。简化二氧化钒智能玻璃的制备工艺，降低成本，节约能耗，大大降低了二氧化钒智能玻璃产业化过程的难度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高效节能降耗技术中的建筑节能
，尤其是涉及一种二氧化钒薄膜在 玻璃衬底上的低温沉积方法。
技术介绍
据统计，我国建筑能耗在社会总能耗中已达30%，随着我国城市化规模的扩大、城镇建 设的推进，以及人民生活水平的提高.，建筑能耗将会逐年递增。1996年我国建筑年消耗3.3 亿吨标准煤，占能源消耗总量的24%，到2001年已达3.76亿吨，占总量消耗的27. 6%，年增 长率为千分之五。根据预测，我国在未来较短的时间内，建筑能耗将攀升至35%以上。国内 目前能源紧缺的局面将面临严峻的挑战。近几年华南及华北地区频繁的拉闸限电己给我们敲 响了警钟。当前，建筑节能已成为世界各国共同关注的重大课题，是经济社会可持续发展特 别是我国经济的高速增长的重要保障。窗户的节能问题是建筑节能中首先必须考虑的问题。在建筑的四大围护部件中(门窗、 墙体、屋面及地面)，门窗的隔热保温性能最差，是影响室内热环境和建筑节能的主要因素之 一，就我国目前典型的围护部件而言，门窗的能耗约为墙体的4倍、屋面的5倍、地面的20 多倍，约占建筑围护结构能耗的50%以上。西方发达国家自20世纪70年代起开展建筑节能工作，至今已取得了十分突出的成效。 窗户的节能技术也获得了长足的进展，节能窗呈现出多功能、高技术化的发展趋势。人们对 门窗的功能要求从简单的透光、挡风、挡雨到节能、舒适、灵活调整釆光量等，在技术上从使用普通的平板玻璃到使用中空隔热技术(中空玻璃)和各种高性能的绝热制膜技术(热反 射玻璃等)。目前，发达国家已开始研制下一代具有"智能化"的节能玻璃窗，简称智能玻璃， 这种智能玻璃能根据环境条件或人的意志来改变透入室内的日照量，实现最大限度的节能。智能玻璃的实现可有多种方式。这些智能玻璃主要依靠沉积在窗玻璃上的薄膜，在某些 物理因素(如光、电或热)激发下使薄膜的光学性质发生改变，从而实现对太阳能辐照的调 节。薄膜光学性质的改变叫变色。变色机理可分为电致变色(电敏)、热致变色(热敏)、气 致变色(气敏)以及光致变色(光敏)等等。基于这些变色机理的智能玻璃均可实现对太阳 光不同程度的调节，但各有利弊。譬如，电致变色可从高透过率连续地变化至低透过率，开 关效率较高，但制作工艺复杂且需要电源供压，系统成本较高，目前只小规模应用在高档汽 车玻璃上；光致变色可简单地通过光照来改变光学性能(如太阳镜)，但目前还不能适用于浮 法玻璃生产工艺，如果起变色作用的是有机塑料层，材料的耐久性又是个问题；气致变色节 能玻璃是当前研究的一个热点，这种节能窗可通过氢气氩气混合气体来实现变色，最大利点 是它可与太阳能制氢技术结合，但另一方面，制氢装置和窗户高的气密性要求又大大限制了 它的应用；对于热致变色，目前市面上已开发出了若干产品，如墨水、颜料、安全设备、温 度指示器等等，在智能玻璃方面，有的公司已开发出热敏聚合物，有一定效果，但聚合物的 耐久性依然是一个有待克服的难题。二氧化钒(V02)是一种典型的热色相变材料，块体相变温度68°C。低于此温度，它呈 半导体特性，中等透明；高于68。C时，呈金属特性，对红外高反射。重要的是，它的相变温 度可以通过高价态金属的搀杂降低到室温附近。将二氧化钒应用于节能窗的研究早在上个世 纪70年代初就已经开始了，但是在技术上仍存在诸多问题有待解决。同时，在制备工艺上，V02高的沉积温度(一般高于500°C)将是该种智能玻璃产业化的一个严重障碍。高温一方面 会导致高的电耗，增加制备成本，另一方面对制备系统也提出了更多的要求，增加了产业化 难度。因而，降低V02的沉积温度是该种智能玻璃产业化过程中需要解决的一个重要问题。本 专利根据V02薄膜成膜机理与热力学原理，提出了一种二氧化钒薄膜低温沉积方法。经对已公 开的专利文件与科研文献进行检索，未发现相关内容。
技术实现思路
本专利技术的目的在于利用晶体生长的模板诱导作用原理，提供一种二氧化钒薄膜在玻璃衬 底上的低温沉积方法。本专利技术依次包括如下步骤(a)玻璃衬底的清洗与预处理；(b)制备二氧化硅扩散阻 隔层；(c)制备金属氧化物缓冲层；(d)制备二氧化钒热色层。所述二氧化硅扩散阻挡层可在高温条件下(高于200。C)，防止玻璃衬底中杂质离子向金 属氧化物缓冲层和二氧化钒热色薄膜层中扩散，形成不可控制的离子掺杂，最终导致热色层 成膜质量劣化，影响二氧化钒的热色性能。扩散阻挡层材料以二氧化硅为最佳。二氧化硅在 具有高温下稳定，易成膜，成本低等优点。所述的金属氧化物缓冲层是一种可见光区域透明、结晶温度低、晶形与二氧化钒能够很 好匹配的半导体材料，优选的是氧化锡(Sn02)与氧化铟(InA)中的一种，或者是它们二 者按一定比例掺杂的混合物，如ITO (质量比为Sn02:Iri203-l:9)。这些缓冲层材料能在300°C 左右就能形成多晶，且晶相为立方相，与二氧化钒的晶形(高温下为立方相)能很好匹配。在底层Sn02、 ln203、或ITO多晶薄膜的诱导下，即使在较低的沉积温度，二氧化钒薄膜仍能 正常生长。这将有利于二氧化钒薄膜沉积温度的降低。在各膜层的制备步骤中，采用磁控溅射的方法制备多层薄膜，制备系统参数如下磁控溅射系统本底真空气压小于10—2Pa;溅射电源采用射频、中频或直流溅射方式；溅射时工作气体的总压保持在0.2 1.5 Pa。 各步骤详细说明如下-a) 玻璃衬底清洗与处理玻璃衬底清洗后，薄膜沉积前，玻璃衬底被加热至200 500°C， 并在薄膜制备过程中一直保持此温度不变。b) 二氧化硅扩散阻隔层的制备可采用硅靶或二氧化硅陶瓷靶作为阴极溅射材料。采用 硅靶时，溅射方式优选为射频溅射，溅射室在通入Ar气的同时，也通入02气(纯度高于99.9 %)， 02气与Ar气分压比或流速比为0.1 0.4:1;采用二氧化硅陶瓷靶时，溅射方式优选为 非反应射频溅射，溅射工作气体为Ar气。c) 金属氧化物缓冲层的制备可采用两种方式来制备。 一是采用氧化锡或氧化钢(或二 者的混合物，如ITO)陶瓷靶作为阴极溅射材料，溅射方式可采用直流溅射，可在Ar气气氛 中直接沉积。另一种方式是采用的是金属锡靶、金属铟靶、锡铟合金靶中的一种，溅射电源 可采用直流或射频溅射，优选射频溅射；工作气体除了充入Ar气外，还必须充入02， 02气与 Ar气分压比或流速比为0. 1 0. 5:1。d) 二氧化钒热色层的制备在靶材的选择上，也可有多种方式，包括使用金属钒靶、二氧化钒靶与五氧化二钒陶瓷靶。如果使用五氧化二钒陶瓷耙，可采用直流溅射，工作气体为 Ar气与H2气的混合气体，H2气与Ar混合体的百分比H2/(Ar+H》29^ 8y。；如果采用金属钒耙 或二氧化钒靶作为溅射靶料，溅射方式可采用直流或射频，优选为射频，溅射过程中在通入 Ar气的同时，也必须通入适量的高纯度02气，02气与Ar气分压比或流速比为0.03 0.3:1。各膜层的厚度要求如下扩散阻隔层的厚度为50 100纳米，金属氧化物缓冲层的厚度 为10 200纳米，二氧化钒热色层的厚度为20 250纳米。本专利技术采用的金属氧化物缓冲层材料在可见光区域透明、结晶温度低、晶形与二氧化钒 能够很好匹配，在二氧化钒薄膜的生长过程能产生模板诱导作用，从而可大幅降低二氧化钒 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化钒薄膜在玻璃上的低温沉积方法，以玻璃为衬底，其特征在于依次包括如下步骤：（ａ）玻璃衬底的清洗与预处理；（ｂ）制备二氧化硅扩散阻隔层；（ｃ）制备金属氧化物缓冲层，所述金属氧化物缓冲层是可见光区域透明、结晶温度低、晶形与二氧化钒能够匹配的半导体材料；（ｄ）制备二氧化钒热色层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐刚，黄春明，陈丽华，黄华凛，侯乃升，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]