Modulazione delle proprietà ottiche dell'infrarosso del film sottile VO2 fabbricato mediante deposizione laser pulsata ultraveloce per applicazioni di finestre intelligenti termocromiche

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11421 (2022) Citare questo articolo

2695 accessi

10 citazioni

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Nel corso degli anni, il biossido di vanadio, (VO2(M1)), è stato ampiamente utilizzato per fabbricare film sottili termocromici con l'obiettivo di utilizzare stimoli esterni, come il calore, per modulare la trasmittanza visibile attraverso il vicino infrarosso per l'efficienza energetica degli edifici e comodità interna. È quindi utile estendere lo studio dei materiali termocromici alle lunghezze d'onda del medio infrarosso (MIR) per applicazioni come dispositivi radiativi intelligenti. Oltre a ciò, ci sono numerose sfide nella sintesi di film sottili di VO2 (M1) puro, poiché la maggior parte delle tecniche di fabbricazione richiede la post-ricottura di un film sottile depositato per convertire il VO2 amorfo in una fase cristallina. Qui presentiamo un metodo diretto per fabbricare film sottili VO2(M1) più spessi su substrati di silice caldi (a temperature del substrato di 400 °C e 700 °C) da materiale precursore di pentossido di vanadio (V2O5). Un laser a femtosecondi ad alta frequenza di ripetizione (10 kHz) viene utilizzato per depositare il V2O5 portando alla formazione di VO2 (M1) senza alcuna fase di post-ricottura. Di seguito sono state studiate e riportate la morfologia superficiale, le proprietà strutturali e le proprietà ottiche UV-visibili, compreso il gap di banda ottica e l'indice di rifrazione complesso, in funzione della temperatura del substrato. Gli studi al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) e alla diffrazione dei raggi X confermano che i film sottili VO2 (M1) depositati a 700 °C sono dominati da una struttura cristallina monoclina policristallina altamente testurizzata. Le caratteristiche termocromiche nel medio infrarosso (MIR) in un intervallo di lunghezze d'onda di 2,5–5,0 μm vengono presentate utilizzando misurazioni di trasmittanza dipendenti dalla temperatura. È stato confermato che la transizione di fase del primo ordine da metallo a semiconduttore e la larghezza di banda dell'isteresi della transizione sono rispettivamente di 64,4 °C e 12,6 °C, per un campione fabbricato a 700 °C. Le proprietà di emissività termo-ottica indicano che questi film sottili VO2 (M1) fabbricati con deposizione laser a femtosecondi hanno un forte potenziale sia per la gestione termica radiativa che per il controllo tramite finestre attive a risparmio energetico per edifici, satelliti e veicoli spaziali.

Il biossido di vanadio (VO2) (M1) è sempre più un ossido metallico tecnologicamente importante, a causa del suo notevole cambiamento nella transizione isolante-metallo di primo ordine (IMT) ad una temperatura critica di circa 68 °C1,2. La temperatura di transizione di fase dei film sottili VO2 (M1) può essere attivata utilizzando stimoli esterni come eccitazioni termiche, elettriche e ottiche ultraveloci. La transizione di fase indotta dei film sottili VO2 dall'isolante monoclino alla fase metallica rutilica è reversibile e accompagnata da un grande cambiamento nelle proprietà elettriche, magnetiche e ottiche. Queste caratteristiche hanno un potenziale significativo per un'ampia gamma di applicazioni moderne come attuatori, dispositivi di radiazione intelligenti passivi, finestre intelligenti (attive) termocromiche, modulazione delle lunghezze d'onda dal vicino infrarosso (NIR) all'infrarosso medio (MIR) o commutazione ottica per modulare il Emissività MIR e raffreddamento radiativo passivo3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. Ad esempio, la temperatura di transizione di fase del film sottile VO2 (M1) è associata alla modulazione della trasmittanza e della riflettanza dell'intervallo spettrale da NIR a MIR in funzione della temperatura. Queste proprietà potrebbero essere utilizzate per sviluppare sistemi di controllo termico più efficienti2,14 a seconda del substrato IR su cui è depositata la pellicola VO2 e del suo spessore. I cambiamenti nelle proprietà ottiche del film sottile VO2 (M1) nel MIR sono molto utili per applicazioni specifiche tra cui il controllo termico dei veicoli spaziali, gli edifici a risparmio energetico e il camuffamento selettivo contro i sensori IR.

Sono stati condotti numerosi studi sui film sottili VO2 (M1) (spessore < 0,90 μm) per applicazioni di risparmio energetico termocromico nel visibile e nel vicino infrarosso (NIR)19,20,21,22,23. Tali pellicole VO2 mostrano un'eccezionale trasparenza NIR (lunghezza d'onda da 1,0 a 2,5 μm) (> 70% di trasmittanza) a basse temperature di circa 25 °C. Tuttavia, la trasmittanza è completamente bloccata o ridotta quasi a zero a temperature superiori alla transizione metallo-isolante di 68 °C. Questi studi dimostrano un migliore controllo delle proprietà di commutazione della transizione isolante-metallo nella gamma di lunghezze d'onda NIR, ma esiste un numero limitato di studi comparativi su film VO2 (M1) che operano nella regione di lunghezza d'onda MIR-maggiore (LWIR). Guinneton et al.15 nel 2001, hanno fabbricato film sottili di VO2 su substrati di silice con spessori inferiori a 200 nm utilizzando un bersaglio di vanadio e sputtering reattivo RF per valutare le proprietà ottiche controllabili nell'infrarosso. Allo stesso modo, Gianmario et al.16 hanno depositato film sottili di VO2 su un wafer di silicio utilizzando gli stessi metodi di sputtering RF per stimare le proprietà ottiche e l'isteresi termica negli intervalli sub-spettrali MIR. Naturalmente entrambi gli esempi richiedevano una fase di ricottura post-deposizione. È stata segnalata una temperatura di transizione intorno a 68 °C con una differenza significativa nella larghezza di banda dell'isteresi termica nelle regioni a lunghezza d'onda corta e lunga. Recentemente, Dongqing et al.23 hanno sintetizzato film sottili di VO2 con spessore di 400 nm e 900 nm utilizzando un processo sol-gel per valutare le transizioni di fase termocromiche e le proprietà termocromiche IR nell'intervallo di lunghezze d'onda 7,5–14 μm.