【前沿】中科大在二氧化釩相變智能窗研究中取得新進展

2021-02-25 建築玻璃與工業玻璃

中國科學技術大學國家同步輻射實驗室鄒崇文研究組與合肥微尺度物質科學國家研究中心江俊研究組在基於二氧化釩薄膜的智能窗應用上取得重要進展，相關研究成果近日在線發表在國際權威期刊《科學•進展》（Science Advances）上。

基於VO2相變薄膜的溫控智能窗概念提出已有幾十年的歷史，但是實用化的智能窗產品還難以推出，主要原因在於：首先是對太陽光譜中紅外光的調製力還不夠強(一般<15%)，使得智能窗的調控效果達不到實際要求；其次是可見光波段的透射率不夠高(一般<60%)，滿足不了正常的室內採光需求，而且VO2相變薄膜的可見光透射率與紅外光的調製能力互相制約，此消彼長，難以兼顧；最後就是其相對過高的相變溫度(~68°C)，極大地限制了其實用化。針對上述問題，傳統的解決思路一般是通過摻雜和晶粒納米化來降低VO2相變溫度，通過表面織構或者多層膜等手段來改變VO2的光學特性等，但這些都難以從根本上解決上述問題。

在基於氫原子摻雜驅動二氧化釩多態連續相變的研究基礎上(Nature Comm. 9，2018，818；Phys. Rev. B 96, 2017, 125130)，最近他們又在VO2薄膜中實現了基於固態電解質的電場誘導三態相變過程。該工作結果表明，在室溫下通過施加很小的正反向偏壓就能夠可逆地調控VO2中的電子摻雜濃度(氫摻雜濃度)，從而實現電子摻雜的金屬態和電子摻雜絕緣態之間的相轉變。利用合肥同步輻射軟X射線吸收譜技術，直接探測了不同電子摻雜濃度下3d軌道電子的佔據情況與相應的相變演化過程。更為重要是，這種電子摻雜誘導的相變前後VO2薄膜對太陽光譜中紅外光的調製力達到26.5%，同時薄膜具有高達70%以上的可見光透過率。

這一結果超越了以往二氧化釩熱致變色和電致變色智能窗的實驗結果，甚至突破了傳統二氧化釩溫控智能窗紅外調控能力的理論極限，大大提高了基於二氧化釩的「智能窗」應用可能性。相關技術已經申請一項發明專利。

上圖:VO2薄膜在電場作用下的可逆三態調控示意圖；下圖:利用電壓調控的電子摻雜驅動的VO2相變智能窗性能大大超越了傳統熱致相變二氧化釩智能窗

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