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上海硅酸盐所采用界面包覆实现VO2热致变色薄膜稳定性的大幅提升
2019-08-11 15:12:15 | 【 【打印】【关闭】

  能源危机是当今人类社会所面临的重大问题。建筑能耗占全球总耗能1/3以上,而其中近一半经由建筑物窗体流失。二氧化钒(VO2)是一种典型的热致相变材料,由于其相变温度可在室温附近调节,以及相变前后显著的光学响应,而被用于研发热致变色智能节能窗。经过近年来研究学者们的不懈努力,有关VO2智能窗方面的研究工作取得持续进展,在其相变温度、光学性能以及大规模制备方法等方面均有所突破。然而VO2材料本身的不稳定性及劣化问题依然是其商业化的最大阻碍之一。由于V为多价元素,而VO2中的+4V离子受空气中水分、氧气等因素的影响被氧化为+5价的V离子,从而导致热致变色薄膜的失效。目前,由于缺少对VO2薄膜失效过程的研究,大多数文献报导并不能得到适用于商业化的稳定性提升。 

  近期,中国科学院上海硅酸盐研究所金平实研究员带领的团队采用界面包覆的方法成功实现了VO2热致变色薄膜稳定性的大幅度提升。通过构建不同界面暴露的样品结构,证明VO2薄膜的截面部分虽然其面积很小(在该研究中截面与表面的面积比为1200000),但是在其失效过程中起到了至关重要的作用,这在之前的研究中往往被忽视。研究团队选用光学常数匹配且具有自疏水性的HfO2作为保护层材料,对VO2薄膜的不同界面(表面和截面)进行同时包覆,可以在提高VO2薄膜热致变色效果的同时,实现其服役寿命的大幅提升。该界面包覆的结构在高温高湿加速老化实验(60°C, 90%相对湿度)的环境中可以相对稳定保存100天以上,而有任意界面暴露的样品结构很快失效。通过Hallberg-Peck模型计算可得,该结构有望在实际环境中稳定服役16年以上。同时,该结构在沸水浴实验及加热实验中均表现出显著增强的稳定性,可以满足VO2薄膜在不同环境中的使用情况。该研究为提高VO2薄膜稳定性及实现相应的商业化应用提供了新的策略。相关研究工作以题为“Mitigating Deterioration of Vanadium Dioxide Thermochromic Films by Interfacial Encapsulation”发表在Cell Press旗下材料旗舰期刊Matter 上(Matter, 2019; DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.04.004),该论文第一作者为上海硅酸盐所在读博士生常天赐,指导教师为金平实研究员和曹逊副研究员。 

  该研究得到了国家自然科学基金、中科院青年创新促进会以及上海市浦江人才等项目支持。 

VO2/HfO2双层保护结构及相应的高/低温透过率光谱,其中VO2体现出亲水性表面而HfO2体现出疏水性表面

A)水分子在VO2HfO2表面可能的吸附路径;(BVO2VO2/HfO2表面的接触角测试,可以发现VO2为亲水性表面,而VO2/HfO2为疏水性表面;(C)不同界面暴露的样品结构设计示意图,分别为表面+截面全暴露、表面暴露、截面暴露以及表面+截面全包覆。 

磁控溅射薄膜的结构与温度及气压的关系,根据磁控溅射制备VO2薄膜的常用参数可以发现,其薄膜截面具有一定的微孔和裂缝,可以充当氧气及水分的通道而导致薄膜的失效。结合实验表征表明VO2薄膜的截面部分在其失效劣化过程中起到了至关重要作用。     

  文献链接: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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