열변색 스마트 윈도우 응용을 위한 초고속 펄스 레이저 증착으로 제작된 VO2 박막의 적외선 광학 특성 변조

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11421(2022) 이 기사 인용

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수년에 걸쳐 이산화바나듐(VO2(M1))은 건물의 에너지 효율성을 위해 가시광선과 근적외선 투과율을 조절하기 위해 열과 같은 외부 자극을 사용하는 데 중점을 두고 열변색성 박막을 제조하는 데 광범위하게 활용되어 왔습니다. 실내의 편안함. 따라서 스마트 복사 장치와 같은 응용 분야를 위해 열변색 재료 연구를 중적외선(MIR) 파장으로 확장하는 것이 중요합니다. 게다가, 대부분의 제조 기술은 비정질 VO2를 결정질 상으로 변환하기 위해 증착된 박막의 사후 어닐링을 요구하기 때문에 순수 VO2(M1) 박막을 합성하는 데는 수많은 과제가 있습니다. 여기에서는 오산화바나듐(V2O5) 전구체 물질로부터 뜨거운 실리카 기판(기판 온도 400°C 및 700°C) 위에 더 두꺼운 VO2(M1) 박막을 제조하는 직접적인 방법을 제시합니다. 높은 반복률(10kHz) 펨토초 레이저를 사용하여 V2O5를 증착하여 사후 어닐링 단계 없이 VO2(M1)를 형성합니다. 기판 온도의 함수로서 광학 밴드 갭 및 복소 굴절률을 포함한 표면 형태, 구조적 특성 및 UV-가시광선 광학 특성이 연구되고 아래에 보고되었습니다. 투과전자현미경(TEM)과 X선 회절 연구는 700°C에서 증착된 VO2(M1) 박막이 고도로 조직화된 다결정 단사정계 결정 구조에 의해 지배된다는 것을 확인했습니다. 2.5~5.0μm의 파장 범위에서 중적외선(MIR)의 열변색 특성은 온도에 따른 투과율 측정을 사용하여 제시됩니다. 700°C에서 제작된 샘플의 경우 금속에서 반도체로의 1차 상전이와 전이의 히스테리시스 대역폭이 각각 64.4°C와 12.6°C인 것으로 확인되었습니다. 열광학 방사율 특성은 펨토초 레이저 증착으로 제작된 이러한 VO2(M1) 박막이 건물, 위성 및 우주선의 활성 에너지 절약 창을 통한 복사 열 관리 또는 제어에 대한 강력한 잠재력을 가지고 있음을 나타냅니다.

이산화바나듐(VO2)(M1)은 약 68°C의 임계 온도에서 1차 절연체-금속 전이(IMT)의 놀라운 변화로 인해 기술적으로 중요한 금속 산화물이 되었습니다1,2. VO2(M1) 박막의 상전이 온도는 열, 전기 및 초고속 광학 여기와 같은 외부 자극을 사용하여 촉발될 수 있습니다. 단사정계 절연체에서 금홍석 금속상으로의 VO2 박막의 유도된 상전이는 가역적이며 전기적, 자기적, 광학적 특성의 큰 변화를 동반합니다. 이러한 특성은 액추에이터, 수동형 스마트 복사 장치, 열변색 스마트(능동) 창, 근적외선(NIR)에서 중적외선(MIR) 파장의 변조 또는 광 스위칭과 같은 광범위한 최신 애플리케이션에 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. MIR 방사율 및 수동 복사 냉각3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. 예를 들어, VO2(M1) 박막의 상전이 온도는 NIR에서 MIR 스펙트럼 범위의 투과율과 반사율을 온도의 함수로 변조하는 것과 관련이 있습니다. 이러한 특성은 VO2 필름이 증착되는 IR 기판과 그 두께에 따라 보다 효율적인 열 제어 시스템2,14을 개발하는 데 활용될 수 있습니다. MIR에서 VO2(M1) 박막의 광학 특성 변화는 우주선 열 제어, 에너지 절약 건물 및 IR 센서에 대한 선택적 위장을 포함한 특정 응용 분야에 매우 유용합니다.

가시광선 및 근적외선(NIR) 열변색 에너지 절약 응용 분야를 위한 VO2(M1) 박막(두께 < 0.90μm)에 대한 수많은 연구가 있었습니다. 이러한 VO2 필름은 약 25°C의 저온에서 뛰어난 NIR(1.0~2.5μm 파장) 투명성(> 70% 투과율)을 나타냅니다. 그러나 68°C 금속-절연체 전이 이상의 온도에서는 투과율이 완전히 차단되거나 거의 0으로 감소됩니다. 이러한 연구는 NIR 파장 범위에서 절연체-금속 전이 스위칭 특성의 더 나은 제어를 보여 주지만 MIR에서 더 긴 파장 영역(LWIR)에서 작동하는 VO2(M1) 필름에 대한 비교 연구는 제한적입니다. Guinneton et al.15은 2001년에 적외선에서 제어 가능한 광학 특성을 평가하기 위해 바나듐 타겟과 RF 반응성 스퍼터링을 사용하여 200 nm 미만 두께의 실리카 기판에 VO2 박막을 제조했습니다. 마찬가지로, Gianmario 등16은 MIR 하위 스펙트럼 범위에서 광학 특성과 열 이력 현상을 추정하기 위해 동일한 RF 스퍼터링 방법을 사용하여 실리콘 웨이퍼에 VO2 박막을 증착했습니다. 당연히 두 사례 모두 증착 후 어닐링 단계가 필요했습니다. 단파장 영역과 장파장 영역에서 열 이력 대역폭에 상당한 차이가 있는 약 68°C의 전이 온도가 보고되었습니다. 최근 Dongqing et al.23은 7.5~14μm 파장 범위에서 열변색 상전이와 IR 열변색 특성을 평가하기 위해 졸-겔 공정을 사용하여 두께 400 nm 및 900 nm의 VO2 박막을 합성했습니다.