【摘 要】
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二氧化钒（VO2）是一种具有热致变色行为的特殊光电材料,低于相变温度（Tc=68℃）时,为单斜相,具有非金属绝缘特性,能使红外光穿透;当环境温度高于相变温度时,该晶体结构将转变为四方金红石相,具有金属导电特性,此时反射大部分红外光。这种相变特性使VO2在智能窗口、激光防护以及光电开关等领域具有广阔的应用前景。然而,VO2的理论相变温度为68℃,远高于室温,若实际应用必须通过外部加热来达到相变温度,
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二氧化钒（VO2）是一种具有热致变色行为的特殊光电材料,低于相变温度（Tc=68℃）时,为单斜相,具有非金属绝缘特性,能使红外光穿透;当环境温度高于相变温度时,该晶体结构将转变为四方金红石相,具有金属导电特性,此时反射大部分红外光。这种相变特性使VO2在智能窗口、激光防护以及光电开关等领域具有广阔的应用前景。然而,VO2的理论相变温度为68℃,远高于室温,若实际应用必须通过外部加热来达到相变温度,大大限制其在光电方面的应用。同时VO2材料的太阳光利用率低,尤其是可见光部分,这是发展VO2在智能窗口等应用领域的核心问题之一。针对上述两方面问题,本文提出利用双层辉光等离子放电预轰击基体表面,通过活化产生的空位缺陷结构等诱导VO2薄膜生长的策略。主要研究工作如下:（1）研究了双层辉光等离子预处理石英基体表面的工艺参数,对比研究了不同预处理功率对基体表面的作用规律,结果表明,适当的预处理能够刻蚀基片表面形成大量缺陷,为VO2生长提供应力诱导。利用原子力显微镜（AFM）研究了基体在预处理前后表面粗糙度的变化规律,得到150 W为最佳预处理功率。从样品SEM表/截面结果来看,预处理后形成的薄膜致密均匀,与基体结合性更强,无明显界面;借助X射线衍射（XRD）研究了VO2薄膜的相结构,探究退火温度对于薄膜生长的影响,结果表明550℃时薄膜由VO2（M2）相组成,无杂质相。同时,结合XRD研究了残余应力对VO2薄膜生长的影响,结果表明预处理后VO2晶格内存在785.4 MPa应力。（2）利用四探针电阻测试和紫外-可见-近红外光谱分别对薄膜的电学和光学性能进行分析,发现近红外光调控前后相变幅度增大,且相变温度降低至39.4℃,太阳光利用率也得到提高。（3）利用分子动力学模拟了等离子轰击过程中表面空位缺陷结构的产生规律,研究了VO2薄膜的生长机制,结果表明,模拟预溅射过程中空位缺陷、间隙原子随轰击次数变化的关系,在理论方面证实了等离子轰击过程中将产生大量空位缺陷从而诱导VO2薄膜定向生长的可能性。（4）优化设计了具有相变特征的光响应VO2基复合薄膜结构,利用磁控溅射技术分别制备了Zn O/VO2和Zn O/VO2/Zn O多层复合薄膜,获得了VO2基多层复合薄膜的工艺优化参数,通过光电性能测试表明,在不影响相变性能的基础上,Zn O过渡层能够很好地起到增透作用。通过水接触角研究了VO2基多层复合薄膜的紫外响应行为,结果表明,复合薄膜受紫外光激发后对接触角具有调控作用;对比研究了单一VO2薄膜和Zn O/VO2复合薄膜进行激光防护性能,结果表明,VO2能够反射红外光,但受光线能量影响存在解离现象,该多层复合薄膜未来将在激光防护等领域具有潜在的应用价值。
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