钒氧化物薄膜的微观结构和变色性能的研究

【摘要】： V_2O_5和VO_2薄膜具有优良的电致变色和热致变色的特性，是具有广阔应用前景的功能材料。主要应用于显示器件、光学开关、光存储、激光保护、辐射测热装置等，特别是在智能窗材料方面的应用已成为研究的热点。器件的性能与薄膜的微观结构密切相关，而制备方法和工艺参数等对薄膜微结构的影响以及变色性能的改善等许多问题，仍有待系统深入的研究。 本文采用直流磁控溅射方法制备得到(001)取向的V_2O_5薄膜，并通过对V_2O_5薄膜进行真空退火制备VO_2薄膜。利用XRD、SEM、FTIR、XPS、XAS、分光光度计等物理化学手段对氧化钒薄膜的微结构和性能进行了分析，系统地研究了薄膜的物理性质与其变色性能之间的关系。 实验结果表明，氧分压影响氧化钒薄膜的沉积速率、成分以及晶体结构。氧分压升高，促进V_2O_5薄膜(001)面的取向生长变强，细长纳米晶体颗粒有长大趋势。在0.4Pa氧分压制备的V_2O_5薄膜，晶粒平行于衬底层状排列。而衬底温度升高促进薄膜晶体颗粒长大、熔结，晶粒边界消失，在较高衬底温度(300～400℃)，得到连续的结晶性能良好的V_2O_5薄膜。具有择优取向的V_2O_5薄膜表现良好的电变色性质，在不同波段分别显示阳极着色和阴极着色的特性，透过率变化幅度可达60％。根据XPS~-在变色过程的测试结果，从能带结构的角度解释了变色机理，分析了不同条件对V_2O_5薄膜变色性能的影响。 真空退火得到的VO_2薄膜“遗传”了V_2O_5薄膜的层状结构，具有(001)面择优取向，微观形貌也受退火前V_2O_5薄膜的影响。对退火温度和时间以及真空度的影响进行了研究，在低真空(～10Pa)450℃退火3小时后得到的VO_2薄膜，晶体颗粒呈长方柱状，具有良好的结晶性能。VO_2薄膜电导率随温度升高而变大，没有在相变温度范围发生突变，而是具有一定的线性关系。