基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗及其制备方法技术

本发明专利技术属于智能窗技术领域，具体为一种基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗及其制备方法。本发明专利技术智能窗结构包括：表面平整的石英玻璃衬底，形成于衬底上的由二氧化钒薄膜卷曲而成的管状结构阵列；每个管状结构可独立工作；二氧化钒薄膜在相变前后具有太阳光调控能力。该智能窗的智能控光方式是：室温下卷曲的二氧化钒薄膜使卷曲的区域完全由石英透光，提高透光率；高温下，使卷曲二氧化钒结构因相变产生的应变变化导致曲率变小，直到完全展平在石英表面，重新与衬底贴合形成平面二氧化钒薄膜。本发明专利技术在提高室温下透光率的同时，保持高温下对红外限制能力基本不变，从而提高智能窗的太阳光调制能力。制备方法简单，成本较低，可大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗及其制备方法
本专利技术属于智能窗
，具体涉及基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗及其制备方法。
技术介绍
随着全球变暖趋势和资源匮乏的日益严峻，可持续、绿色发展，减少能耗、高效合理利用资源成为各个国家关注的焦点。根据数据显示，目前中国总能耗的近30%来自建筑自身的能耗损失，而在建筑的总能耗中，玻璃门窗的热耗散量占其中的50%。为了减少能量的浪费，研究者将注意力集中在建筑的窗户上，现代的摩天楼，窗户几乎包裹建筑物的全部表面，并且承担着每天外部环境的能量交换（包括热对流、热辐射）。所以研究出一种智能窗，能够根据外部环境的光照、温度等条件自动地调节辐射的能量吸收和阻挡是目前具有应用前景的研究热点。目前的智能窗主要局限于二维尺度，根据不同的智能控光机理可以分为四类：(1)电致色变智能窗，如三氧化钨，氧化钛等氧化物以及一些导电聚合物，工作原理为通电导致薄膜变色改变太阳光的透过率变化，太阳光调控波段通常为300-1000nm。(2)光致色变智能窗，这类智能窗通常为聚合物材料，当光照射在这些聚合上时，聚合物之间的化学键会产生变化，形成新的结构，从而改变本身颜色。太阳光的调制波段也局限于300-1000nm，但颜色变化丰富。(3)热致色变智能窗，以二氧化钒为主的通过对温度响应从而改变太阳光的透过率。当前研究的基于二氧化钒的智能窗主要有几种增强透过率的方法，a)掺杂，通过掺杂不同金属离子降低触发温度及提高可见光透过率；b)复合结构，与氧化钛，氧化钨等组成多层结构，复合不同的光学特性以得到更多的用途；c)多孔结构或二氧化钒颗粒涂层，这些结构都有效的提高的太阳光的调制能力。(4)机械致色变，顾名思义，在外部刺激下，某些特殊的聚合物材料会产生褶皱，从而影响光透过率，通常对光的控制只有全透过与不透过两种状态。这些结构局限于二维平面，太阳光的调制率已达到了瓶颈。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种太阳光调制能力强、突破二维尺度智能窗的控光瓶颈的基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗及其制备方法。本专利技术提供的基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗，具体包括：衬底，为一种表面平整的石英玻璃；形成于所述衬底上的由二氧化钒薄膜卷曲而成的管状结构阵列；每个管状结构可独立工作；其中，所述二氧化钒薄膜，利用磁控溅射法制备，厚度在80-120nm，相变前后具有太阳光调控能力。本专利技术提供还提供上述基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗的制备方法，具体步骤为：(1)利用丙酮、乙醇、清水，分别超声清洗石英衬底；(2)利用磁控溅射在石英衬底表面生长具有内应力的二氧化钒薄膜；(3)在二氧化钒薄膜表面光刻图形阵列；得到具有腐蚀窗口图形的二氧化钒基片；(4)利用氢氟酸选择性腐蚀石英衬底，得到二氧化钒薄膜卷曲而成的管状结构阵列。步骤(1)中，石英衬底为双面抛光，表面粗糙度低于2nm。步骤(3)中，通过调节磁控溅射中的参数，以获得具有内应力的二氧化钒单组分薄膜。本专利技术中，由于二氧化钒与多种酸碱会产生反应，因此选用氢氟酸作为腐蚀液，而牺牲层则选择透明且与氢氟酸能反应的石英玻璃，这样既不用在表面镀上牺牲层影响太阳光的透过，也能有效的充当牺牲层的作用。本专利技术提供的基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗，其工作原理为：(1)室温下，阵列的二氧化钒卷曲结构为卷起状态，这部分的卷曲结构会暴露衬底的石英部分；(2)在高于相变温度(通常为68℃)的环境下，二氧化钒卷曲结构由于相变应变变化的影响，卷曲曲率减小，最终完全展平在石英衬底上，再次形成对衬底全覆盖的二维薄膜结构；(3)重新降低至室温后，该智能窗上的二氧化钒卷曲结构会回到初始曲率。本专利技术提供的基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗，其智能控光方法为，（1）控制为室温条件，使卷曲的二氧化钒薄膜的卷曲的区域完全由石英透光，这相较于二氧化钒薄膜具有更好的透光率；（2）控制为高温条件，使二氧化钒卷曲结构因为相变产生的应变变化导致曲率变小，直到完全展平在石英表面，重新与衬底贴合形成平面二氧化钒薄膜，由此实现增加室温太阳光透过，保持高温低透过率，从而提高相变前后的太阳光调制率。（3）重新降低至室温，使智能窗上的二氧化钒卷曲结构回到初始曲率。本专利技术有益效果：该方法基本原理是利用卷起状态增强相对于普通平面二氧化钒薄膜在室温下的透光率，相变展开后，保持高温下透光率基本不变，从而提高前后透光率的差值。且该智能窗的制备方式稳定可靠，经济性好，且可以大规模制备。每一个卷曲结构是单独的个体，既可以单一结构工作，也可以大面积协同工作。本专利技术的独创性在于利用卷曲薄膜在升温过程中产生的体积膨胀，实现卷曲薄膜由卷曲态转变为平展态。本专利技术将二氧化钒相变时产生的应变变化与红外透过变化相结合，在提高室温下透光率的同时，保持高温下对红外限制能力的基本不变，从而提高智能窗的太阳光调制能力。该制备方法简单，成本较低，可大规模生产，对太阳光调制能力提升明显，因此具有很好实际应用意义。附图说明图1为本专利技术基于透明卷曲二氧化钒薄膜阵列智能窗的单个结构示意图。其中，(a)低温状态，(b)高温状态。图2为1x1cm阵列卷曲二氧化钒薄膜智能窗与平面二氧化钒薄膜相变前后太阳光透过率对比。其中，(a)卷曲二氧化钒薄膜智能窗,(b)平面二氧化钒薄膜智能窗。图中标号：1为具有内应力的纯二氧化钒薄膜；2为石英玻璃衬底。具体实施方式以下将结合附图，详细说明单层二氧化钒卷曲结构智能窗的制备方法及效果。以下实施例用于说明本专利技术，但不作为对本
技术实现思路
的限制。“基于透明卷曲二氧化钒薄膜阵列的智能窗的制备”(1)取1cm×1cm的石英片作为基片，用丙酮、乙醇、去离子水依次进行超声清洗十分钟，在氮气流中干燥。(2)在清洗好的石英片衬底上，磁控溅射沉积二氧化钒薄膜。磁控溅射设备可采用KurtJ.Lesker公司生产的PVD75型磁控溅射设备。靶材为金属钒靶，射频电源200W，溅射总时长1200s，氧、氩比保持40:60。当温度升至550℃后生长第一层二氧化钒薄膜，生长时间为600s，降温至450℃后，继续生长600s；冷却至室温后取出样品。(3)使用匀胶机在二氧化钒薄膜表面旋图一层光刻胶。匀胶机可使用中国鑫有研公司的KW-4A型匀胶机。光刻胶型号为AZ-5214正性光刻胶。控制低转速为600rpm，旋转时间为6s；高转速为4000rpm，旋转时间为30s。然后置于电热板上在90℃下前烘90s。使用紫外光刻机光刻总尺寸为9mm×9mm正方形形阵列，每一个正方形的变长为100μm，图形间间隔100μm。光刻机使用德国SUSS公司的MA6紫外光刻机。将光刻后的基片浸没于正胶显影液中35s，然后用去离子水清洗，经氮气流干燥后得到光刻基片；正胶显影液可采用苏州瑞红电子化学品有限公司RZX-3038型正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗，其特征在于，具体包括：/n衬底，为一种表面平整的石英玻璃；/n形成于所述衬底上的由二氧化钒薄膜卷曲而成的管状结构阵列；每个管状结构可独立工作；/n其中，所述二氧化钒薄膜，利用磁控溅射法制备，厚度在80-120nm，相变前后具有太阳光调控能力。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗，其特征在于，具体包括：
衬底，为一种表面平整的石英玻璃；
形成于所述衬底上的由二氧化钒薄膜卷曲而成的管状结构阵列；每个管状结构可独立工作；
其中，所述二氧化钒薄膜，利用磁控溅射法制备，厚度在80-120nm，相变前后具有太阳光调控能力。


2.一种如权利要求1所述的基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)利用丙酮、乙醇、清水，分别超声清洗石英衬底；
(2)利用磁控溅射在石英衬底表面生长具有内应力的二氧化钒薄膜；
(3)在二氧化钒薄膜表面光刻图形阵列；得到具有腐蚀窗口图形的二氧化钒基片；
(4)利用氢氟酸选择性腐蚀石英衬底，得到二氧化钒薄膜卷曲而成的管状结构阵列。


3.根据权利要求2所述的基于二氧化钒薄膜卷曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅永丰，李星，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31