CN101255015A

CN101255015A - 玻璃衬底上彩色二氧化钒热色玻璃的制备方法

Info

Publication number: CN101255015A
Application number: CNA2008100272265A
Authority: CN
Inventors: 徐刚; 黄春明; 侯乃升; 陈丽华; 黄华凛
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2028-04-03
Also published as: CN101255015B

Abstract

本发明提供了一种玻璃衬底上彩色二氧化钒热色玻璃的制备方法。其特征在于依次包括如下步骤：(a)用洗液或溶剂将玻璃衬底清洗干净并吹干；(b)将玻璃衬底放入薄膜沉积室，加热至300～600℃；(c)通入工作气体；(d)采用磁控溅射制备工艺使二氧化钒成膜；(e)控制成膜厚度以得到不同反射颜色的二氧化钒镀膜玻璃。本发明通过对膜层厚度的精确控制，可使玻璃反射颜色呈现为浅蓝紫色、蓝紫色、淡青色、黄色、或粉红色等。这些颜色使二氧化钒热色玻璃除了具有高效节能的功能外，还能装饰建筑物的外表，达到美化环境的作用。

Description

玻璃衬底上彩色二氧化钒热色玻璃的制备方法

技术领域

本发明属于高效节能降耗技术中的建筑节能技术领域，尤其是涉及一种彩色二氧化钒热色玻璃的制备方法

技术背景

据统计，我国建筑能耗在社会总能耗中已达30％，随着我国城市化规模的扩大、城镇建设的推进，以及人民生活水平的提高，建筑能耗将会逐年递增。1996年我国建筑年消耗3.3亿吨标准煤，占能源消耗总量的24％，到2001年已达3.76亿吨，占总量消耗的27.6％，年增长率为千分之五。根据预测，我国在未来较短的时间内，建筑能耗将攀升至35％以上。国内目前能源紧缺的局面将面临严峻的挑战。近几年华南及华北地区频繁的拉闸限电已给我们敲响了警钟。当前，建筑节能已成为世界各国共同关注的重大课题，是经济社会可持续发展特别是我国经济的高速增长的重要保障。

窗户的节能问题是建筑节能中首先必须考虑的问题。在建筑的四大围护部件中(门窗、墙体、屋面及地面)，门窗的隔热保温性能最差，是影响室内热环境和建筑节能的主要因素之一，就我国目前典型的围护部件而言，门窗的能耗约为墙体的4倍、屋面的5倍、地面的20多倍，约占建筑围护结构能耗的50％以上。

西方发达国家自20世纪70年代起开展建筑节能工作，至今已取得了十分突出的成效。窗户的节能技术也获得了长足的进展，节能窗呈现出多功能、高技术化的发展趋势。人们对门窗的功能要求从简单的透光、挡风、挡雨到节能、舒适、灵活调整采光量等，在技术上从使用普通的平板玻璃到使用中空隔热技术(中空玻璃)和各种高性能的绝热制膜技术(热反射玻璃等)。目前，发达国家已开始研制下一代具有“智能化”的节能玻璃窗，简称智能玻璃，这种智能玻璃能根据环境条件或人的意志来改变透入室内的日照量，实现最大限度的节能。

二氧化钒(VO₂)是一种典型的热色相变材料，自身的光学特性能随环境温度的改变而改变，很有潜力发展成为一种价格低廉的智能玻璃。二氧化钒的相变温度68℃。低于此温度，它呈半导体特性，中等透明；高于68℃时，呈金属特性，对红外高反射。重要的是，它的相变温度可以通过高价态金属的搀杂降低到室温附近。将二氧化钒应用于节能窗的研究早在上个世纪70年代初就已经开始了，但是在技术上仍存在诸多问题有待解决，其中一个重要问题就是二氧化钒智能玻璃的颜色问题。

二氧化钒薄膜的反射颜色与透过颜色均呈土黄色，在建筑物上，这种颜色一般不受欢迎，而玻璃的外观颜色又往往是用户选择的一个重要依据，直接影响到产品在市面上受欢迎的程度。本发明基于色度学与光学干涉的原理，通过对薄膜厚度的精确控制，提出了一种改变二氧化钒智能玻璃外观颜色(主要是可见光的反射颜色)的简单方法。经对已公开的专利文件与科研文献进行检索，未发现相关内容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种玻璃衬底上彩色二氧化钒热色玻璃的制备方法。

为实现以上目的，本发明采取以下技术方案：

一种玻璃衬底上彩色二氧化钒热色玻璃的制备方法，依次包括如下步骤：(a)用洗液或溶剂将玻璃衬底清洗干净并吹干；(b)将玻璃衬底放入薄膜沉积室，加热至300～600℃；(c)通入工作气体；(d)采用磁控溅射制备工艺使二氧化钒成膜；(e)控制二氧化钒成膜厚度以得到不同颜色的二氧化钒镀膜玻璃。

二氧化钒成膜的原材料选自二氧化钒、五氧化二钒、金属钒中的一种，优选为金属钒。采用金属钒或二氧化钒作为阴极溅射材料，溅射方式优选为射频溅射，溅射室在通入Ar气的同时，也通入高纯度的O₂气，O₂气与Ar气分压比或流速比为0.03～0.3∶1。或者采用五氧化二钒陶瓷靶为阴极溅射材料，溅射电源优选为直流溅射，溅射工作气体为Ar气与H₂气的混合气体，H₂气与Ar混合体的百分比H₂/(Ar+H₂)＝2％～8％。

在二氧化钒薄膜的沉积过程中，精确控制膜层的厚度，可使二氧化钒镀膜玻璃的呈现出不同的外观颜色(反射颜色)。

膜层厚度的控制方法如下：先利用石英晶振仪记录薄膜沉积的时间与相对厚度，沉积完毕后，再利用椭偏仪对二氧化钒薄膜的几何厚度进行精确测定。根据沉积时间，计算出薄膜的沉积速度。在此基础上，设定薄膜的沉积时间，使薄膜达到需要的厚度。

二氧化钒膜层厚度控制在10～25纳米时，可得到反射颜色为浅蓝色的镀膜玻璃；

二氧化钒膜层厚度控制在25～40纳米时，可得到反射颜色为淡青色的镀膜玻璃；

二氧化钒膜层厚度控制在40～70纳米或控制在120～180纳米时，可得到反射颜色为黄色的镀膜玻璃；

二氧化钒膜层厚度控制在70～80纳米时，可得到反射颜色为粉红色的镀膜玻璃；

二氧化钒膜层厚度控制在80～120纳米时，可得到反射颜色为蓝紫色的镀膜玻璃。

本发明通过对膜层厚度的精确控制，可使玻璃反射颜色呈现为浅蓝色、蓝紫色、淡青色、黄色、或粉红色等。这些颜色使二氧化钒热色玻璃除了具有高效节能的功能外，还能装饰建筑物的外表，达到美化环境的作用。

附图说明

图1是二氧化钒膜层厚度为15nm时镀膜玻璃的光谱图，测定时膜面向着入射光线。

图2是二氧化钒膜层厚度为65nm时镀膜玻璃的光谱图，测定时膜面向着入射光线。

图3是二氧化钒膜层厚度为95nm时镀膜玻璃的光谱图，测定时膜面向着入射光线。

图4是二氧化钒膜层厚度为155nm时镀膜玻璃的光谱图，测定时膜面向着入射光线。

附图标记说明：实线：透过率(T％)；虚线：反射率(R％)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明内容做进一步说明，但本发明保护范围不仅限于以下实施例，凡是属于本发明内容等同的技术方案，均属于本专利的保护范围。

实施例1

(a)玻璃衬底的清洗

将玻璃衬底放入高纯酒精中，用超声清洗5分钟；接着将其放入丙酮溶液，再用超声清洗5分钟。之后用氮气将其吹干，并立即将其放入薄膜制备室。

(b)二氧化钒薄膜的制备

制备系统：采用磁控溅射。该磁控溅射系统包含一个样品安装室和一个主溅射室(直径45cm)。主溅射室与一个分子扩散泵连接，真空度为2.0×10^-6Pa。溅射室有三个靶位可供安装三个直径为2英寸的不同靶材。每个靶位以30°角度向上倾斜，可以共聚焦方式共溅射或三靶独立的方式溅射。样品载台可升温至600℃并可在溅射过程中连续转动。

制备条件：采用金属钒靶(纯度99.9％)在Ar气(流速30sccm)和O₂气(流速2.1sccm)的混合气体中进行反应性沉积。射频功率设定为120W。沉积温度为500℃。

(c)二氧化钒膜层厚度的控制

先利用石英晶振仪记录薄膜沉积的时间与相对厚度，沉积完毕后，再利用椭偏仪对二氧化钒薄膜的几何厚度进行精确测定。根据沉积时间，计算出薄膜的沉积速度。在此基础上，设定薄膜的沉积时间，使薄膜达到需要的厚度。

二氧化钒膜层厚度为15纳米时，从玻璃的镀膜面看，玻璃的反射颜色为浅蓝紫色。透过光谱与反射光谱见图1。

实施例2

玻璃衬底的清洗、制备系统与制备条件同实施例1。二氧化钒薄膜的沉积时间为32分钟，膜厚65纳米。从玻璃的镀膜面看，玻璃的反射颜色为浅橙黄色。透过光谱与反射光谱见图2。

实施例3

玻璃衬底的清洗与制备系统同实施例1。

制备条件：采用五氧化二钒陶瓷作溅射靶材(纯度99.5％)，通入Ar气与H₂气的混合气体[混合比例H₂/(Ar+H₂)＝5％]，流速为30sccm，直流溅射，溅射功率设定为120W。溅射40分钟，VO₂膜层厚度约为95纳米。沉积温度为500℃。

从玻璃的镀膜面看，玻璃的反射颜色为宝蓝色。透过光谱与反射光谱见图3。

实施例4

玻璃衬底的清洗与制备系统同实施例1。

制备条件：采用二氧化钒作溅射靶材(纯度99.5％)，在Ar气(流速30sccm)和O₂气(流速1.5sccm)的混合气体中进行反应性沉积。射频功率设定为100W。沉积温度为500℃。溅射120分钟，VO₂膜层厚度约为76nm。

从玻璃的镀膜面看，玻璃的反射颜色为粉红色。

实施例5

玻璃衬底的清洗、制备系统与制备条件同实施例1。

二氧化钒薄膜的沉积时间为16分钟，膜厚33纳米。

从玻璃的镀膜面看，玻璃的反射颜色为淡青色。

实施例6

玻璃衬底的清洗、制备系统与制备条件同实施例1。

二氧化钒薄膜的沉积时间为80分钟，膜厚月155纳米。

从玻璃的镀膜面看，玻璃的反射颜色为金黄色。透过光谱与反射光谱见图4。

Claims

1.一种玻璃衬底上彩色二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：(a)用洗液或溶剂将玻璃衬底清洗干净并吹干；(b)将玻璃衬底放入薄膜沉积室，加热至300～600℃；(c)通入工作气体；(d)采用磁控溅射制备工艺使二氧化钒成膜；(e)控制二氧化钒成膜厚度以得到不同反射颜色的二氧化钒镀膜玻璃。

2.根据权利要求1所述的玻璃衬底上彩色二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(d)中二氧化钒薄膜的制备采用金属钒或二氧化钒为阴极溅射材料，溅射方式为射频溅射，溅射室在通入Ar气的同时，也通入高纯度的O₂气，O₂气与Ar气分压比或流速比为0.03～0.3∶1。

3.根据权利要求1所述的玻璃衬底上彩色二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(d)中二氧化钒薄膜的制备采用五氧化二钒陶瓷靶为阴极溅射材料，溅射电源为直流溅射，溅射工作气体为Ar气与H₂气的混合气体，H₂气与Ar混合体的百分比H₂/(Ar+H₂)＝2％～8％。

4.根据权利要求1所述的玻璃衬底上彩色二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(e)中先利用石英晶振仪记录薄膜沉积的时间与相对厚度，沉积完毕后，再利用椭偏仪对二氧化钒薄膜的几何厚度进行精确测定。根据沉积时间，计算出薄膜的沉积速度。在此基础上，设定薄膜的沉积时间，使薄膜达到需要的厚度。

5.根据权利要求1至4之任一所述的玻璃衬底上彩色二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：控制二氧化钒薄膜沉积的厚度在10～25纳米以得到反射颜色为浅蓝色的镀膜玻璃。

6.根据权利要求1至4之任一所述的玻璃衬底上彩色二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：控制二氧化钒薄膜沉积的厚度在25～40纳米以得到反射颜色为淡青色的镀膜玻璃。

7.根据权利要求1至4之任一所述的玻璃衬底上彩色二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：控制二氧化钒薄膜沉积的厚度在40～70纳米或在120～180纳米以得到反射颜色为黄色的镀膜玻璃。

8.根据权利要求1至4之任一所述的玻璃衬底上彩色二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：控制二氧化钒薄膜沉积的厚度在70～80纳米以得到反射颜色为粉红色的镀膜玻璃。

9.根据权利要求1至4之任一所述的玻璃衬底上彩色二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：控制二氧化钒薄膜沉积的厚度在80～120纳米以得到反射颜色为蓝紫色的镀膜玻璃。