应力加载下的氧化钒膜层光学性能研究开题报告
2020-05-01 08:43:07
1. 研究目的与意义（文献综述）
在经济全球化的格局下，能源短缺和环保问题已经成为当今世界面临的两大主要难题[1]。随着不可再生能源的消耗，像太阳能这种可再生能源扮演了越来越重要的角色。二氧化钒具有良好的半导体－金属相变特性，在常温下，二氧化钒的晶体结构为单斜晶系结构（Ｍ相），对光波有较高的透射能力。随着温度的升高达到相变温度，二氧化钒的晶型变成四方晶红石结构（Ｒ相），薄膜原始状态迅速发生变化,此时V02薄膜显示金属性质，对光波具有较高的反射。当温度降低到相变温度时，二氧化钒的晶型又变回单斜晶系结构（M相），这种典型可逆热色特征[2][3][4]。利用二氧化钒薄膜的这种可逆热色特征我们可以制造智能玻璃[5]，以改善室内的温度.同是也应用于光子晶体、伪装隐身技术[6]等领域。然而制备高质量的二氧化钒膜是至关重要的，目前二氧化钒薄膜的制备方法有磁控溅射法、真空蒸发镀膜、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法等[7]。虽然制备薄膜的方法多种多样，但目前制得的薄膜仍存在诸多问题，而薄膜可见光透过率低、太阳能调节率不理想是亟待解决的两个问题[8]。对于这些问题目前科学家提出了一些改进方法，有沉积减反层、造孔或提高粗糙度、掺杂等。沉积减反层是在薄膜表面沉积一层或多层折射率小于薄膜的材料，可有效减小薄膜整体的反射率从而达到提高透射率、改善调节率的目的。加入折射率小的材料是根据多层膜的反射率计算公式可知在薄膜中加人折射率小的材料可以减小薄膜层的反射率，从而达到提高薄膜透过率的效果。掺杂是可用于提高vo2可见光率、改善调节率的掺杂元素主要是Mg、F及贵金属。例如掺钨二氧化钒二氧化硅，并采用大面积多靶磁控溅射系统制备出了该膜系。实验测得膜系的相变温度为38.2℃，红外调节率（2400nm波长处）为40.4%，可见光的峰值透过率为46.3%。在太阳能红外波段，膜系具有良好的入射调节效果[9]。而二氧化钒的相变温度是68℃[10]，利用这个方法使实现智能玻璃的应用更近一步。
另外，二氧化钒膜还受应力的影响，实验表明可以通过加载VO2纳米束中的拉伸或压缩外部单轴应变来调节VO2纳米束中涉及的应变，从而调节高达±50k的转变温度。据实验检测调整薄膜的厚度性能能从0.97%的IR转换率和85.8%的可见光透射率到11.9%的IR转换率和50.7%的可见光透射率之间变化[11]。通过拉伸和延展可以提高二氧化钒膜的可见光的透过率和I-R的转化率。VO2是一种强相关电子材料，它在无应力状态时，在CT=341K时经历一阶金属-绝缘体相变（MIT）,其电导率变化在几个数量级。MIT伴随着从高温四方相到低温单斜相得结构转变[12]，性能也随之发生变化。正是由于一级金属-绝缘体转变（MIT）二氧化钒被得到高度的认可，然而MIT在VO2中的特性受化学计量，掺杂，尺寸效应，外部应变，界面应变和缺陷的显着影响。VO2纳米束上的应变被认为是科学和技术上的重要课题[13]。除了金属绝缘体转变（MIT）外，VO2还表现出对单相（M1，M2）和三斜晶系（T）相的绝缘状态[14]。目前制备二氧化钒膜的多种多样，但都存在诸多问题，不能很好的应用于室温下，研究表明当压缩的应力约为2.2%时能够保证二氧化钒在室温下从半导体态变为金属态，但也不可以大规模生产使用，本次课题研究的就是在不同的应力加载下观察和研究二氧化钒薄膜的性质变化，从而找出二氧化钒薄膜在不同应力加载下性能变化的规律，解决和完善应力下生产二氧化钒膜的技术。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
材料制备：选用一块光学玻璃基片，然后在光学玻璃上方通过磁控溅射的方法镀上一层过渡层，再在过渡层上方通过溅射的方法镀上一层50nm左右厚度的二氧化钒膜，通过改变过渡层的厚度以及过渡层的材料，从而使二氧化钒所承受的应力不同，从而改变二氧化钒膜的相变点。
材料表征：在不同应力下，用xrd,红外等表征手段对二氧化钒薄膜对可见光的透过率和反射率进行测量。
3. 研究计划与安排
第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。
第4-5周：按照设计方案，进行初步试验，制备出基本合符要求的试样。
第6－12周：优化工艺方案，提高试样性能，完成所计划的全部工作。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]王超,赵丽,王世敏,董兵海,万丽,许祖勋,梁子辉,宋成杰,二氧化钒薄膜智能窗的研究进展[j],材料导报,2017,31(s1):257-262.
[2]梁倩,李毅,方宝英,严梦,王锋,覃源,丁杰,佟国香,王晓华,陈少娟,陈建坤，郑鸿柱，袁文瑞，二氧化钒纳米孔洞薄膜的光学特性[j],硅酸盐学报，2013,41（12）：1685-1691.
[3]方应翠,陈长琦,朱武,王先路,干蜀毅,二氧化钒薄膜在智能窗方面应用研究[j],真空,2003,2:16-18.
