Nízkoteplotní škálovatelná syntéza silně termochromických povlaků na bázi VO2 s nízkou přechodovou teplotou

Ing. Michal KAUFMAN

Doctoral thesis

Low-temperature scalable synthesis of strongly thermochromic VO2-based coatings with a low transition temperature

Abstract:

Strongly thermochromic YSZ/V0.986W0.014O2/YSZ coatings (YSZ denotes Y-stabilized ZrO2) were prepared using a scalable sputter deposition technique on conventional soda-lime glass at a relatively low substrate surface temperature (Ts = 350 °C) and without any substrate bias voltage. The thermochromic V0.986W0.014O2 layers were synthesized by deep oscillation magnetron sputtering with pulsed reactive gas flow control of a single V-W target, and the antireflection YSZ layers were deposited using a controlled high-power impulse magnetron sputtering of a single Zr-Y target. A coating design utilizing a second-order interference in the YSZ layers was applied to increase both the integral luminous transmittance (Tlum) and the modulation of the solar energy transmittance (Tsol). A compact crystalline structure of the bottom antireflection layer further improves the VO2 crystallinity, while the top antireflection layer also provides mechanical and environmental protection for the thermochromic layer. The YSZ/V0.986W0.014O2/YSZ coatings exhibit a transition temperature Ttr = 33-35 °C with Tlum = 64.5 % and Tsol = 7.8 % for a V0.986W0.014O2 thickness of 37 nm, and Tlum = 46.1 % and Tsol = 13.2 % for a V0.986W0.014O2 thickness of 67 nm. It was found that the setting of the amount of O2 in the gas mixture determines not only the elemental and phase composition of the films and their deposition rate but also the crystallinity of the thermochromic VO2 phase in them. The results are important for further improvement of this new scalable sputter deposition technique for a fast (53 nm min-1) low-temperature synthesis of high-performance durable thermochromic VO2-based multilayer coatings designed for smart-window applications. Moreover, strongly thermochromic YSZ/V0.855W0.018Sr0.127O2/SiO2 (further increase in the Sr content resulted in a gradual decrease in Tsol to zero) coatings have been prepared using a scalable deposition technique on standard glass at a low Ts = 320 °C and without any substrate bias voltage. Reactive high-power impulse magnetron sputtering with a pulsed O2 flow feedback control allowed the preparation of crystalline W and Sr co-doped VO2 of the correct stoichiometry. The W doping of VO2 decreases Ttr, while the Sr doping of VO2 increases Tlum significantly. A coating design again utilizes a second-order interference. The coatings exhibit Ttr = 22 °C with Tlum = 63.7 % (low-temperature state) and 60.7 % (high-temperature state), and Tsol = 11.2 %. Such a combination of properties (together with low Ts) fulfills the requirements for large-scale implementation on building glass and has not yet been reported.

Abstract:

Silně termochromické povlaky YSZ/V0.986W0.014O2/YSZ (YSZ označuje ytriem stabilizovaný ZrO2) byly připraveny pomocí škálovatelné techniky magnetronového naprašování na běžném sodno-vápenatém skle při relativně nízké teplotě povrchu substrátu (Ts = 350 °C) a bez jakéhokoli předpětí na substrátu. Termochromické vrstvy V0.986W0.014O2 byly syntetizovány magnetronovým naprašováním s hlubokými oscilacemi a pulzní regulací toku reaktivního plynu z V-W terče. Antireflexní vrstvy YSZ byly deponovány pomocí řízeného vysokovýkonového pulzního magnetronového naprašování ze Zr-Y terče. Design povlaku využívající interferenci druhého řádu u vrstev YSZ byl použit jak ke zvýšení integrální transmitance ve viditelné oblasti (Tlum), tak modulace solární transmitance (Tsol). Kompaktní krystalická struktura dolní antireflexní vrstvy dále zlepšuje krystalinitu VO2, zatímco horní antireflexní vrstva poskytuje mechanickou a environmentální ochranu pro termochromickou vrstvu. Povlaky YSZ/V0.986W0.014O2/YSZ vykazují přechodovou teplotu Ttr = 33-35 °C s Tlum = 64,5 % a Tsol = 7,8 % pro tloušťku V0.986W0.014O2 37 nm či Tlum = 46,1 % a Tsol = 13,2 % pro tloušťku V0.986W0.014O2 67 nm. Bylo zjištěno, že nastavení množství O2 ve směsi plynů určuje nejen elementární a fázové složení filmů a jejich depoziční rychlost, ale také krystalinitu termochromické fáze VO2 v nich. Výsledky jsou důležité pro další zlepšení této nové škálovatelné techniky magnetronového naprašování pro rychlou (53 nm min-1) syntézu vysoce účinných trvanlivých termochromických vrstev na bázi VO2 určených pro aplikaci na chytrá okna. Dále byly připraveny silně termochromické povlaky YSZ/V0.855W0.018Sr0.127O2/SiO2 (další zvýšení obsahu Sr vedlo k postupnému snižování Tsol na nulu) pomocí škálovatelné depoziční techniky na standardním skle při nízké Ts = 320 °C a bez jakéhokoli předpětí na substrátu. Reaktivní vysokovýkonové pulzní magnetronové naprašování s pulzní zpětnovazebnou kontrolou O2 umožnilo přípravu krystalického stechiometrického VO2 dopovaného wolframem a stronciem. Dopování VO2 wolframem snižuje jeho Ttr, zatímco dopování VO2 stronciem významně zvyšuje Tlum. Design termochromických povlaků opět využívá interferenci druhého řádu. Připravené vrstvy vykazují Ttr = 22 °C, Tlum = 63,7 % (nízkoteplotní fáze) či 60,7 % (vysokoteplotní fáze) a Tsol = 11,2 %. Taková kombinace vlastností (spolu s nízkou Ts) splňuje požadavky na velkoplošnou implementaci VO2 na prosklené části budov a dosud nebyla v odborné literatuře představena.

Keywords

chytrá okna, silně termochromické povlaky, wolframem a stronciem dopovaný VO2, škálovatelná technika, kontrolovaný reaktivní HiPIMS, nízká přechodová a depoziční teplota

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 3. 2024

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. RNDr. Jaroslav Vlček, CSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Plasma Physics and Physics of Thin Films