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上海硅酸鹽所采用界面包覆實現VO2熱致變色薄膜穩定性的大幅提升
2019-08-11 15:12:15 | 【 【打印】【關閉】

  能源危機是當今人類社會所面臨的重大問題。建筑能耗占全球總耗能1/3以上,而其中近一半經由建筑物窗體流失。二氧化釩(VO2)是一種典型的熱致相變材料,由于其相變溫度可在室溫附近調節,以及相變前后顯著的光學響應,而被用于研發熱致變色智能節能窗。經過近年來研究學者們的不懈努力,有關VO2智能窗方面的研究工作取得持續進展,在其相變溫度、光學性能以及大規模制備方法等方面均有所突破。然而VO2材料本身的不穩定性及劣化問題依然是其商業化的最大阻礙之一。由于V為多價元素,而VO2中的+4V離子受空氣中水分、氧氣等因素的影響被氧化為+5價的V離子,從而導致熱致變色薄膜的失效。目前,由于缺少對VO2薄膜失效過程的研究,大多數文獻報導并不能得到適用于商業化的穩定性提升。 

  近期,中國科學院上海硅酸鹽研究所金平實研究員帶領的團隊采用界面包覆的方法成功實現了VO2熱致變色薄膜穩定性的大幅度提升。通過構建不同界面暴露的樣品結構,證明VO2薄膜的截面部分雖然其面積很小(在該研究中截面與表面的面積比為1200000),但是在其失效過程中起到了至關重要的作用,這在之前的研究中往往被忽視。研究團隊選用光學常數匹配且具有自疏水性的HfO2作為保護層材料,對VO2薄膜的不同界面(表面和截面)進行同時包覆,可以在提高VO2薄膜熱致變色效果的同時,實現其服役壽命的大幅提升。該界面包覆的結構在高溫高濕加速老化實驗(60°C, 90%相對濕度)的環境中可以相對穩定保存100天以上,而有任意界面暴露的樣品結構很快失效。通過Hallberg-Peck模型計算可得,該結構有望在實際環境中穩定服役16年以上。同時,該結構在沸水浴實驗及加熱實驗中均表現出顯著增強的穩定性,可以滿足VO2薄膜在不同環境中的使用情況。該研究為提高VO2薄膜穩定性及實現相應的商業化應用提供了新的策略。相關研究工作以題為“Mitigating Deterioration of Vanadium Dioxide Thermochromic Films by Interfacial Encapsulation”發表在Cell Press旗下材料旗艦期刊Matter 上(Matter, 2019; DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.04.004),該論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生常天賜,指導教師為金平實研究員和曹遜副研究員。 

  該研究得到了國家自然科學基金、中科院青年創新促進會以及上海市浦江人才等項目支持。 

VO2/HfO2雙層保護結構及相應的高/低溫透過率光譜,其中VO2體現出親水性表面而HfO2體現出疏水性表面

A)水分子在VO2HfO2表面可能的吸附路徑;(BVO2VO2/HfO2表面的接觸角測試,可以發現VO2為親水性表面,而VO2/HfO2為疏水性表面;(C)不同界面暴露的樣品結構設計示意圖,分別為表面+截面全暴露、表面暴露、截面暴露以及表面+截面全包覆。 

磁控濺射薄膜的結構與溫度及氣壓的關系,根據磁控濺射制備VO2薄膜的常用參數可以發現,其薄膜截面具有一定的微孔和裂縫,可以充當氧氣及水分的通道而導致薄膜的失效。結合實驗表征表明VO2薄膜的截面部分在其失效劣化過程中起到了至關重要作用。     

  文獻鏈接:Tianci Chang, Xun Cao, Ning Li, Shiwei Long, Ying Zhu, Jian Huang, Hongjie Luo, and Ping Jin, Mitigating Deterioration of Vanadium Dioxide Thermochromic Films by Interfacial Encapsulation Matter, 2019, DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.04.004 

    

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