VO2/TiO2薄膜的功能性能研究
建筑采暖、制冷、通风和照明的能耗约占世界总能耗的40％。VO2基热致变色智能窗可以大大减少建筑能耗，吸引了研究者的密切关注。光反射往往造成光能的损失，TO2基减反射薄膜不仅可以提高衬底的透光率，还具有自清洁与防雾功能，在光学器件、显示器件、光伏电池等领域具有潜在的应用价值。将VO2与TO2结合得到的VO2/TiO2复合薄膜不仅具有优异的热致变色性能，还具有自清洁与防雾功能，从而更加适用于高层建筑窗户。本文以VO2和TiO2为研究对象，将湿化学法(水热法与sol-gel法)与物理镀膜法(磁控溅射)相结合，研究了VO2基热致变色薄膜、TiO2纳米管减反射自清洁薄膜与VO2/TiO2多功能复合薄膜的制备、性能优化和内在科学规律。 我们采用水热法首次合成正交型VOOH纳米颗粒，并在较温和的热处理条件下(低至250℃)将VOOH纳米颗粒转化为VO2(M)纳米颗粒。我们发现在热处理过程中，正交相VOOH纳米颗粒首先转化成VO2(P)纳米颗粒这一中间相，再转化为VO2(M)纳米颗粒。通过尺寸效应与缺陷工程可以有效控制VO2(M)纳米颗粒的相变温度与迟滞回线宽度。由于较小的VO2纳米颗粒尺寸抑制了其对于可见光的散射效应，VO2复合热致变色薄膜展现出较高的可见光透过率(Tlum)。结晶性较好的VO2纳米颗粒处于高温时在近红外波段展现出明显的等离子体共振吸收，这增强了其太阳光调控效率(△Tsol)。最佳的Tlum和△Tsol分别达到了48.8％和14.9％。 我们开发了新的超声辅助酸洗法，并以此制备出稳定的H2Ti3O7纳米管胶体。通过旋涂H2Ti3O7纳米管胶体结合后续退火处理，制备出高质量的TiO2纳米管薄膜(TNF)。双面镀有TNF的玻璃在可见光波段的峰值透光率高达99.2％，平均透光率高达97.4％，这证明TNF具有很好的减反射性能。此外，由于具有较高的表面粗糙度，TNF表现出较好的亲水性(防雾能力)。超声辅助酸洗法帮助扩展了经典的TiO2纳米管的应用领域。高质量TNF的成功制备证实了高性能全TiO2减反膜的可行性，实现了较完美的自清洁性能。 我们制备了TiO2溶胶凝胶薄膜(TSF)，构筑了TSF/VO2、VO2/TNF双层和TSF/VO2/TNF三层复合薄膜。由于VO2薄膜在可见光波段具有较高的消光系数，VO2膜层上下部分的反射光之间的干涉作用被大大削弱。理论分析认为，在忽略这种干涉作用后，采用简单的两组控制单一变量的实验，得到的TSF/VO2和VO2/TNF双层复合薄膜中TSF和TNF的膜层厚度与TSF/VO2/TNF三层复合薄膜中TSF和TNF的最佳厚度非常接近。利用这一实验思路可以大大减少实验工作量。由于三层复合薄膜中的上下两层减反膜分别抑制了VO2上下表面的强反射，优化后的TSF/VO2/TNF三层复合薄膜的可见光透过率比单层VO2薄膜的可见光透过率提高了近9％，且展现出优异的自清洁和防雾能力。
热致变色薄膜;TiO2纳米管;湿化学法;VOOH纳米颗粒;功能性能
中国科学技术大学
博士
材料物理与化学
李广海
2021
中文
TB383
2021-06-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）