基于二氧化钒的辐射率可调薄膜结构设计与制备

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热致变色二氧化钒在68℃发生金属-半导体相变并伴随着显著的光学和电学性能变化。将二氧化钒的这一特性应用于多层薄膜吸收结构时,可以实现辐射率随温度可调节性能,在航天器热控领域具有很好的应用前景。本文以辐射率可调的智能热控涂层为研究目标,开展了VO2薄膜的稳定可控制备、基于VO2的辐射率可调薄膜结构的设计与制备以及原子层沉积(ALD)氧化铝薄膜对VO2的防护。主要结论如下:  在反应溅射制备VO2薄膜时,采用等离子体辉光监控(PEM)回馈系统进行过程控制,当相对辉光强度范围为0.6~0.65时,可制备出具有(011)结晶取向的VO2薄膜,且薄膜表现出较好的相变性能。钨掺杂(0%-3at%)可使薄膜的相变温度由66℃降低为18℃,但同时薄膜在相变前后的红外透过率变化幅度减弱。  设计并制备了基于VO2的非对称FP谐振腔薄膜结构。当VO2处于半导体态时,薄膜结构的反射率较大,辐射率较低;当VO2处于金属态时,基于非对称FP腔的干涉相消原理,薄膜结构在特定波段的吸收可大幅提高其辐射率。多层膜结构在相变前后的辐射率变化△ε为0.55(0.13-0.68),相变温度Tc约为58℃。钨掺杂(0-3at%)VO2薄膜可使多层膜的相变温度从58℃降至5℃,同时辐射率调控幅度有所减弱。  VO2薄膜在空气中不是热力学稳定相,因此需要对其进行保护。ALD薄膜因致密无孔隙而适于VO2薄膜的防护。实验证明5nm的超薄氧化铝薄膜即可以有效防止VO2薄膜在干燥条件下的氧化。而在湿热条件下,由于氧化铝的水解作用,更厚的氧化铝薄膜(15nm)或TiO2/Al2O3双层结构表现出更好的防护效果。
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