摘要：本文介紹了二氧化釩薄膜的結構、性質；分析了二氧化釩薄膜的相變機理以及影響其相變過程的因素；利用傅里葉紅外光譜儀對二氧化釩薄膜的光學性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)在特定溫度下二氧化釩薄膜發(fā)生相變，其光學性能隨之突變；最后探討了二氧化釩薄膜在智能窗領域的應用及發(fā)展前景。
　　關鍵詞:二氧化釩薄膜；相變；光學特性；智能窗
　　隨著社會的進步，經濟的發(fā)展，人們對生活質量的要求越來越高。無論春夏秋冬，人們都希望能活動在25℃左右的環(huán)境中。為此人們設計出空調來保證室內溫度的恒定。但是空調的使用一方面消耗電能，一方面會帶來噪音等污染。而太陽光能量98%分布在波長范圍為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可見光的高反射而造成光污染這一缺點，但低輻射玻璃不能實現(xiàn)對室內溫度的智能化調節(jié)。我們希望能開發(fā)一種智能化玻璃，它能根據室內溫度自動調節(jié)對太陽光能的透過率。假如入射光線穩(wěn)定，室內溫度低時，讓紅外光進入室內，提高室內溫度；當溫度升高到一定值時，自動降低紅外光的透過率，室內溫度則逐漸降低；當溫度降到一定值后再自動提高對紅外光的透過率。如此循環(huán)往復可實現(xiàn)對室內溫度的智能化控制，對太陽能的綠色使用。
　　1二氧化釩的原子結構及其性質
　　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—半導體相變，同時伴隨四角金剛石結構向具有單斜對稱的扭曲金剛石結構的變化，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，隨著溫度的變化,VO2分子的結構發(fā)生了輕微的畸變,這種結構性的變化導致了其相變前后光學透過率的變化。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、溶膠凝膠溶液摻雜技術等多鐘方式，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℃。對于摻雜使二氧化釩溫度的降低，有人提出是由于雜質元素的引入將導致原有的V-V鍵的強行延長[4]。外加應力也會對二氧化釩薄膜的相變溫度產生影響，當對薄膜施加拉伸應力時，薄膜的相變溫度提高，當對薄膜施加壓縮應力時，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，在熱處理過程中薄膜與襯底之間產生熱應力，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驗研究
　　使用波長為1.319μm的連續(xù)激光器對在玻璃襯底上制備的二氧化釩薄膜進行了動態(tài)實驗研究,利用傅里葉紅外光譜儀測量了薄膜相變前后光學特性的變化情況。實驗光路如圖1所示。
　　
　　圖1激光輻照二氧化釩薄膜實驗示意圖
　　實驗中使用同步控制機分別觸發(fā)激光器、熱像儀和示波器同時工作,以保證時間上的一致性。激光器被觸發(fā)出光后,經一楔鏡分光,其中一束反射光照射到InGaAs光電探測器1上,檢測入射激光功率的變化情況;另一束反射光照射到功率計上,檢測入射到二氧化釩薄膜上的激光功率,透過部分經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后邊,二氧化釩薄膜后面放置InGaAs光電探測器2,監(jiān)測透射光的變化情況。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程中,光斑區(qū)域內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到了其相變溫度并開始發(fā)生部分相變,再經過約280ms,整個薄膜全部發(fā)生了相變,此時其溫度為100℃左右。在這個過程中,激光的透過光強幅值從室溫下的62mV降低到相變后的36mV。我們測試了其在室溫下的透過率為48%,對應其相變后的透過率降為28%。從以上實驗結果可知，薄膜的相變溫度和光學特性的變化強烈地依賴于薄膜的制備條件，且與薄膜的微結構、成分和對激光的吸收系數(shù)密切相關。為了進一步提高二氧化釩薄膜的實用性，可以通過降低其相變溫度，增大相變前后透過率的變化來實現(xiàn)。
　　3二氧化釩薄膜在智能窗方面的應用
　　二氧化釩薄膜在智能窗方面的應用和可見光透過率的提高關系密切。我們希望可見光有較大的透過率，以保證室內采光的同時又可使光線變得柔和。曾經有一些學者做出二氧化釩薄膜在整個光譜范圍內相變前后各種波長光的透過率，如圖2所示[5]，膜厚170nm時，高溫時可見光透過率比低溫時透過率低，而且不論相變前后透過率都低于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，其可見光透過率的變化趨勢及變化量與之相近。此外還有報道[6]用濺射法鍍制的32nm二氧化釩薄膜，其透過率和反射率在相變前后變化更為明顯。在可見光區(qū)，高溫態(tài)透過率比低溫態(tài)透過率高，而且基本大于40%。從以上分析我們可以推測二氧化釩薄膜相變前后可見光透過率是可以改善的，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比的變化
　　4總結
　　通過以上分析，我們看到從機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光透過率的提高對二氧化釩在智能窗方面的應用起著關鍵性的作用；從透過率來分析，它與制備方法、膜厚等有關，而相變溫度與薄膜制取方法、處理工藝等因素也有關。所以我們應該將透過率的提高和相變溫度的降低結合起來權衡考慮。力求找到一個最佳參數(shù)點讓兩者都能滿足要求。探索出最佳參數(shù)點后必將造福于人類，節(jié)約大量資源而且達到對太陽能的綠色使用。
　　參考文獻
　　[1]康德拉捷夫，太陽能輻射[M]，北京：科學出版社，1962：501.
　　[6]潘梅，陸衛(wèi).氧化釩熱致變色薄膜的研究進展[J].激光與紅外，2002，32（6）：374-377.