二氧化钒微结构图案及激光直写制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二氧化钒微结构图案及激光直写制备方法。先通过反应磁控溅射，利用纯V靶在衬底上制备非晶氧化钒薄膜，然后将非晶氧化钒薄膜固定于激光加工平台，利用激光照射物体表面产生的高温效应对非晶氧化钒薄膜进行直写退火，经过激光直写的区域将由非晶的氧化钒结构转化为具备相变特性的二氧化钒微结构图案，通过激光加工平台的位移装置能够对二氧化钒微结构图案的形状进行直接调控。本发明专利技术的直写方法简单高效，溅射时基片温度低，溅射的工作气压以及氧氩比跨度大，工艺简单易重复。激光直写退火可以直写制备线宽小于8μm的二氧化钒微结构图案，通过调整位移平台可以对图案结构进行任意搭配和变化，制备工艺简单，设备依赖低。设备依赖低。设备依赖低。

【技术实现步骤摘要】
二氧化钒微结构图案及激光直写制备方法


[0001]本专利技术涉及二氧化钒微结构图案的加工制备领域，具体涉及一种二氧化钒微结构图案及激光直写制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，由于碳排放增加导致的温室效应加剧，各国政府都提出了减少碳排放，实现“碳中和”的计划。国际能源署2019年的报告指出，建筑相关的碳排放占了全球碳排放的30％，而其中制冷制热所产生的碳排放又在建筑相关的碳排放中占比超过了45％。减少建筑制冷制热能耗，提高建筑内能源利用效率能够有效减少碳排放。根据热力学第二定律，物体时刻在与周围环境进行热交换，热交换的形式有导热、对流和辐射，地球上大多数物体的温度变化和太阳光辐射密切相关。同样的，合理利用辐射热交换也能够对建筑温度进行调控，通过向宇宙辐射能量降低物体表面温度的辐射制冷材料是一种极有潜力的建筑热管理材料。
[0003]传统的辐射制冷材料并不能随着温度变化改变发射率，这限制其只能在全年平均温度较高的地区使用，在年均温度较低的高纬度地区，这一类辐射制冷材料反而会增加建筑的制热能耗。基于我国纬度跨度广，南北气候差异大的现状，发展发射率可调式辐射制冷材料更符合我国的基本国情。二氧化钒(VO2)由于其单斜相到金红石相的可逆相变而被熟知，其相变过程可以由热、光、电以及应力等驱动，相变前后伴随着材料光电特性的突变，在热致变色智能窗、阈值开关、可调谐超材料等领域具有巨大的应用前景。基于VO2的可调辐射制冷器件能够提高能量利用效率，减少能源消耗和相关碳排放。
[0004]基于VO2相变特性的发射率可调辐射制冷器件借助了超表面结构的研究基础。由亚波长单元结构周期排列组成的超表面阵列可以通过改变其单元结构来调控整个超表面结构的电磁属性，实现对特征电磁波的振幅、相位和偏振的调制。通过改变二氧化钒超表面结构单元的形状及大小等参数，可以对8
‑
14μm红外辐射的选择响应，对应波段的吸收系数受二氧化钒相变调控。在低温时吸收系数低，减少对外辐射能量，在高温时吸收系数高，加强对外辐射，从而实现红外发射率的调整。但是现有的硬掩模技术无法在薄膜上直接制备亚波长超表面单元结构，需要引入额外的光刻工艺，较复杂的工艺将提高制备成本，不利于在建筑上大面积推广。
[0005]本专利技术从VO2不同晶相在退火过程中相互转换机制出发，引入一种激光直写制备VO2微结构图案的技术，能够在非晶氧化钒薄膜表面直写VO2超表面结构，为制备基于VO2相变特性的发射率可调辐射制冷器件提供技术支持。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种激光直写制备二氧化钒微结构图案的方法，本专利技术的二氧化钒微结构图案直写技术设备依赖低，操作简单，工艺流程少，成品周期短。
[0007]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种二氧化钒微结构图案的激光直写制备方法，包括如下步骤：
[0009](1.1)预先通过反应磁控溅射在衬底上沉积非晶氧化钒薄膜；
[0010](1.2)将制备好的非晶氧化钒薄膜转移至激光加工平台，然后通过激光器在非晶氧化钒薄膜表面进行直写加工，激光直写照射的区域因光热效应，在局部产生大于400℃的高温环境，完成退火过程，最终产物为二氧化钒微结构图案。
[0011]作为优选方式，所述衬底选自玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底、或硅衬底。
[0012]作为优选方式，步骤(1.1)中，以纯度为99.99％的金属V靶为溅射源，采用反应磁控溅射方法在20
‑
200℃的基片温度区间沉积非晶氧化钒薄膜，氧化钒薄膜中V的原子百分比为30％
‑
70％，其余为氧元素。
[0013]作为优选方式，步骤(1.2)中，所述激光器为功率大于100mW、光斑面积小于50μm2、光斑能量密度大于2mW/μm2的连续激光器，输出激光波长小于2μm。
[0014]作为优选方式，所述激光加工平台配置有显微成像系统和位移平台，显微成像系统对加工区域实现实时的1000倍放大监控，位移平台用于进行移速大于1μm/s的连续移动。
[0015]作为优选方式，所述激光加工平台对激光加工区域进行气体填充，填充气体选自空气、纯氮气和氩气其中一种。
[0016]作为优选方式，(1.1)步骤具体包括以下步骤：
①
将衬底置于3.0
×
10
‑2Pa
‑
1.0
×
10
‑3Pa的真空环境下；
[0017]②
在5Pa
‑
20Pa的纯Ar工作气压下，以0.3A的溅射电流，对纯V金属靶进行预溅射10
‑
20分钟，去除表面氧化层；
[0018]③
接着，采用氧/氩流量比为1:20
‑
1:90的气氛，0.8Pa
‑
3.0Pa的工作气压，在步骤
①
所述衬底上沉积非晶氧化钒薄膜，溅射时基片温度为20℃
‑
200℃，沉积厚度为200
‑
400nm，非晶氧化钒薄膜中的钒/氧原子比为1:0.5
‑
1:2.3。
[0019]作为优选方式，将制备的非晶氧化钒薄膜转移至权激光加工平台中，设置激光器功率和光斑面积，使用激光器在预定的气氛中对非晶氧化钒进行直写照射，利用位移平台加工退火二氧化钒微结构图案。
[0020]本专利技术还提供一种二氧化钒微结构图案，通过上述任意一种方法制备，图案线宽小于8μm。
[0021]本专利技术具有如下有益效果：
[0022]1、通过反应磁控溅射制备非晶氧化钒薄膜，溅射时基片温度低，溅射的工作气压以及氧氩比跨度大，工艺简单易重复。
[0023]2、本专利技术激光直写退火制备二氧化钒微结构所需要的退火气氛简单，退火过程能够在空气中进行，不需要额外的真空设备。
[0024]3、现有的制备二氧化钒微结构图案的方法有光刻法和硬掩模法，上述两种方法都需要提前设计掩膜结构，且一种掩膜只能对应一种图案结构。同时，光刻法工艺流程多，制备成本大。而硬掩模法无法稳定制备线宽在50μm以下的微结构。通过本专利技术可以直写制备线宽小于8μm的二氧化钒微结构图案，通过调整位移平台可以对图案结构进行任意搭配和变化，制备工艺简单，设备依赖低。
附图说明
[0025]图1为本专利技术二氧化钒微结构图案制备方法的总流程示意图。
[0026]图2为激光退火区域和周边未退火非晶氧化钒区域以及单斜相二氧化钒薄膜的Raman对比图
[0027]图3为本专利技术激光直写二氧化钒微结构图案的显微镜放大图。
[0028]图4为本专利技术激光直写二氧化钒微结构图案在高温和低温状态下的红外对比图。
具体实施方式
[0029]以下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步描述：
[0030]实施例1：
[0031]本实施例提供一种二氧化钒微结构图案的激光直写制备方法，包括如本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钒微结构图案的激光直写制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1.1)预先通过反应磁控溅射在衬底上沉积非晶氧化钒薄膜；(1.2)将制备好的非晶氧化钒薄膜转移至激光加工平台，然后通过激光器在非晶氧化钒薄膜表面进行直写加工，激光直写照射的区域因光热效应，在局部产生大于400℃的高温环境，完成退火过程，最终产物为二氧化钒微结构图案。2.根据权利要求1所述的一种二氧化钒微结构图案的激光直写制备方法，其特征在于：所述衬底选自玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底、或硅衬底。3.根据权利要求1所述的一种二氧化钒微结构图案的激光直写制备方法，其特征在于：步骤(1.1)中，以纯度为99.99％的金属V靶为溅射源，采用反应磁控溅射方法在20
‑
200℃的基片温度区间沉积非晶氧化钒薄膜，氧化钒薄膜中V的原子百分比为30％
‑
70％，其余为氧元素。4.根据权利要求1所述的一种二氧化钒微结构图案的激光直写制备方法，其特征在于：步骤(1.2)中，所述激光器为功率大于100mW、光斑面积小于50μm2、光斑能量密度大于2mW/μm2的连续激光器，输出激光波长小于2μm。5.根据权利要求1所述的一种二氧化钒微结构图案的激光直写制备方法，其特征在于：所述激光加工平台配置有显微成像系统和位移平台，显微成像系统对加工区域实现实时的1000倍放大监控，位移平台用于进行移速大于1μm/s的连续移动。6.根据权利要求1所述的一种二氧化钒微结构图案的激光直写制备方法，其特征在于：所述激光加工平台对激光加工区域进行气体填充...

【专利技术属性】
技术研发人员：周鑫，顾德恩，包翔，赵天成，刘云波，申淼，蔡丹，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：