摘要：本文介紹了二氧化釩薄膜的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)；分析了二氧化釩薄膜的相變機(jī)理以及影響其相變過(guò)程的因素；利用傅里葉紅外光譜儀對(duì)二氧化釩薄膜的光學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在特定溫度下二氧化釩薄膜發(fā)生相變，其光學(xué)性能隨之突變；最后探討了二氧化釩薄膜在智能窗領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展前景。
　　關(guān)鍵詞:二氧化釩薄膜；相變；光學(xué)特性；智能窗
　　隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高。無(wú)論春夏秋冬，人們都希望能活動(dòng)在25℃左右的環(huán)境中。為此人們?cè)O(shè)計(jì)出空調(diào)來(lái)保證室內(nèi)溫度的恒定。但是空調(diào)的使用一方面消耗電能，一方面會(huì)帶來(lái)噪音等污染。而太陽(yáng)光能量98%分布在波長(zhǎng)范圍為0.2～2.5μm，其中0.2～0.38μm是紫外光區(qū)，能量占總能量的9%，0.38～0.78μm的可見(jiàn)光占45%，0.78～2.5μm的近紅外區(qū)占49%[1]。雖然現(xiàn)有的幕墻玻璃[2]、低輻射玻璃[3]都具有隔熱效果，而且低輻射玻璃還克服了幕墻玻璃由于對(duì)可見(jiàn)光的高反射而造成光污染這一缺點(diǎn)，但低輻射玻璃不能實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的智能化調(diào)節(jié)。我們希望能開(kāi)發(fā)一種智能化玻璃，它能根據(jù)室內(nèi)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)太陽(yáng)光能的透過(guò)率。假如入射光線穩(wěn)定，室內(nèi)溫度低時(shí)，讓紅外光進(jìn)入室內(nèi)，提高室內(nèi)溫度；當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，自動(dòng)降低紅外光的透過(guò)率，室內(nèi)溫度則逐漸降低；當(dāng)溫度降到一定值后再自動(dòng)提高對(duì)紅外光的透過(guò)率。如此循環(huán)往復(fù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的智能化控制，對(duì)太陽(yáng)能的綠色使用。
　　1二氧化釩的原子結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)
　　二氧化釩吸引了眾多研究者的注意，原因在于它在68℃發(fā)生金屬—半導(dǎo)體相變，同時(shí)伴隨四角金剛石結(jié)構(gòu)向具有單斜對(duì)稱(chēng)的扭曲金剛石結(jié)構(gòu)的變化，從而引起單胞尺寸加倍和大約1%的體積變化，其變化是各向異性的。
　　由此可見(jiàn)，隨著溫度的變化,VO2分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生了輕微的畸變,這種結(jié)構(gòu)性的變化導(dǎo)致了其相變前后光學(xué)透過(guò)率的變化。一般情況下，VO2的相變溫度為68℃，但其相變溫度可以通過(guò)摻雜和合金化的方法加以改變。摻雜的方式有：高能離子注入技術(shù)、溶膠凝膠溶液摻雜技術(shù)等多鐘方式，摻雜的材料有Mo、W、Ta以及稀土元素等，尤其是Mo、W的加入能較大幅度的降低二氧化釩的相變溫度，其中加入1%的W可以將相變溫度降低到21℃。對(duì)于摻雜使二氧化釩溫度的降低，有人提出是由于雜質(zhì)元素的引入將導(dǎo)致原有的V-V鍵的強(qiáng)行延長(zhǎng)[4]。外加應(yīng)力也會(huì)對(duì)二氧化釩薄膜的相變溫度產(chǎn)生影響，當(dāng)對(duì)薄膜施加拉伸應(yīng)力時(shí)，薄膜的相變溫度提高，當(dāng)對(duì)薄膜施加壓縮應(yīng)力時(shí)，薄膜的相變溫度下降，這也可能是由于襯底與薄膜的熱膨脹系數(shù)不同，在熱處理過(guò)程中薄膜與襯底之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，因而造成相變溫度的改變，因此薄膜的熱處理溫度及其襯底的選擇也是影響薄膜相變溫度的原因。
　　2二氧化釩薄膜熱致相變的實(shí)驗(yàn)研究
　　使用波長(zhǎng)為1.319μm的連續(xù)激光器對(duì)在玻璃襯底上制備的二氧化釩薄膜進(jìn)行了動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究,利用傅里葉紅外光譜儀測(cè)量了薄膜相變前后光學(xué)特性的變化情況。實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示。
　　
　　圖1激光輻照二氧化釩薄膜實(shí)驗(yàn)示意圖
　　實(shí)驗(yàn)中使用同步控制機(jī)分別觸發(fā)激光器、熱像儀和示波器同時(shí)工作,以保證時(shí)間上的一致性。激光器被觸發(fā)出光后,經(jīng)一楔鏡分光,其中一束反射光照射到InGaAs光電探測(cè)器1上,檢測(cè)入射激光功率的變化情況;另一束反射光照射到功率計(jì)上,檢測(cè)入射到二氧化釩薄膜上的激光功率,透過(guò)部分經(jīng)透鏡聚焦后照射到二氧化釩薄膜上,二氧化釩薄膜置于透鏡焦點(diǎn)后邊,二氧化釩薄膜后面放置InGaAs光電探測(cè)器2,監(jiān)測(cè)透射光的變化情況。示波器和熱像儀分別記錄入射激光和透射激光功率的變化以及激光輻照薄膜過(guò)程中,光斑區(qū)域內(nèi)薄膜溫度的變化情況。
　　入射到薄膜表面的激光功率為8.9W，光斑直徑2mm，激光出光200ms后，二氧化釩的溫度從室溫上升到約65℃,薄膜局部溫度可能達(dá)到了其相變溫度并開(kāi)始發(fā)生部分相變,再經(jīng)過(guò)約280ms,整個(gè)薄膜全部發(fā)生了相變,此時(shí)其溫度為100℃左右。在這個(gè)過(guò)程中,激光的透過(guò)光強(qiáng)幅值從室溫下的62mV降低到相變后的36mV。我們測(cè)試了其在室溫下的透過(guò)率為48%,對(duì)應(yīng)其相變后的透過(guò)率降為28%。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，薄膜的相變溫度和光學(xué)特性的變化強(qiáng)烈地依賴(lài)于薄膜的制備條件，且與薄膜的微結(jié)構(gòu)、成分和對(duì)激光的吸收系數(shù)密切相關(guān)。為了進(jìn)一步提高二氧化釩薄膜的實(shí)用性，可以通過(guò)降低其相變溫度，增大相變前后透過(guò)率的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　3二氧化釩薄膜在智能窗方面的應(yīng)用
　　二氧化釩薄膜在智能窗方面的應(yīng)用和可見(jiàn)光透過(guò)率的提高關(guān)系密切。我們希望可見(jiàn)光有較大的透過(guò)率，以保證室內(nèi)采光的同時(shí)又可使光線變得柔和。曾經(jīng)有一些學(xué)者做出二氧化釩薄膜在整個(gè)光譜范圍內(nèi)相變前后各種波長(zhǎng)光的透過(guò)率，如圖2所示[5]，膜厚170nm時(shí)，高溫時(shí)可見(jiàn)光透過(guò)率比低溫時(shí)透過(guò)率低，而且不論相變前后透過(guò)率都低于20%。蘭州物理研究所用磁控濺射法，在硅基底上鍍制了相變溫度為68℃的二氧化釩薄膜，其可見(jiàn)光透過(guò)率的變化趨勢(shì)及變化量與之相近。此外還有報(bào)道[6]用濺射法鍍制的32nm二氧化釩薄膜，其透過(guò)率和反射率在相變前后變化更為明顯。在可見(jiàn)光區(qū)，高溫態(tài)透過(guò)率比低溫態(tài)透過(guò)率高，而且基本大于40%。從以上分析我們可以推測(cè)二氧化釩薄膜相變前后可見(jiàn)光透過(guò)率是可以改善的，它受鍍膜方法、膜厚以及一些工藝條件的影響。
　　
　　圖2二氧化釩薄膜相變前后透過(guò)比的變化
　　4總結(jié)
　　通過(guò)以上分析，我們看到從機(jī)理上講二氧化釩薄膜是一種很好的智能窗材料；二氧化釩的相變溫度降低和可見(jiàn)光透過(guò)率的提高對(duì)二氧化釩在智能窗方面的應(yīng)用起著關(guān)鍵性的作用；從透過(guò)率來(lái)分析，它與制備方法、膜厚等有關(guān)，而相變溫度與薄膜制取方法、處理工藝等因素也有關(guān)。所以我們應(yīng)該將透過(guò)率的提高和相變溫度的降低結(jié)合起來(lái)權(quán)衡考慮。力求找到一個(gè)最佳參數(shù)點(diǎn)讓兩者都能滿(mǎn)足要求。探索出最佳參數(shù)點(diǎn)后必將造福于人類(lèi)，節(jié)約大量資源而且達(dá)到對(duì)太陽(yáng)能的綠色使用。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]康德拉捷夫，太陽(yáng)能輻射[M]，北京：科學(xué)出版社，1962：501.
　　[6]潘梅，陸衛(wèi).氧化釩熱致變色薄膜的研究進(jìn)展[J].激光與紅外，2002，32（6）：374-377.