Nízkoteplotní depozice vysoce funkčních termochromických povlaků na bázi VO2 použitím pulzního reaktivního magnetronového naprašování

Ing. David KOLENATÝ

Doctoral thesis

Low-temperature deposition of high-performance thermochromic VO2-based coatings using pulsed reactive magnetron sputtering

Abstract:

Oxid vanadičitý je díky svému reverzibilnímu fázovému přechodu prvního řádu z polovodičového do kovového stavu technologicky důležitý tenkovrstvý materiál s velkým aplikačním potenciálem (např. chytrá okna). Tato disertační práce se zabývá přípravou a charakterizací termochromických povlaků na bázi VO2. Práce je rozdělena do pěti kapitol. Kapitola I je věnována obecnému úvodu a seznámení s problematikou. V kapitole II jsou definovány cíle disertační práce. Kapitola III je nejrozsáhlejší a obsahuje popis dosažených výsledků. Tato kapitola je rozdělena do sedmi částí ve formě šesti vědeckých článků publikovaných v prestižních mezinárodních časopisech a jednoho konceptu vědeckého článku připravovaného pro publikaci v prestižním mezinárodním časopise. Výjimečných výsledků bylo dosaženo v poslední části zabývající se termochromickými povlaky na bázi VO2 připravenými reaktivním magnetronovým naprašováním na sodnovápenaté sklo. Kombinujeme zde čtyři způsoby, jak zlepšit funkčnost povlaků, a tak zvýšit jejich aplikační potenciál. Za prvé, reaktivní vysokovýkonové pulzní magnetronové naprašování s pulzním řízením toku O2 bylo použito pro přípravu krystalických VO2 vrstev se správnou stechiometrií za podmínek výjimečně příznivých pro průmysl: bez předpětí na substrátu a při nízkých depozičních teplotách 300 °C. Za druhé, dopování VO2 wolframem (V1-xWxO2, v této práci x = 0.018) pomocí pulzního dc reaktivního magnetronového naprašování umožnilo snížit teplotu fázového přechodu z polovodičového do kovového stavu na 20 °C bez zhoršení vlastností povlaku. Za třetí, antireflexní ZrO2 vrstvy jak pod, tak nad termochromickou vrstvou V0.982W0.018O2 byly deponovány při nízkých teplotách substrátu (< 100 °C) pomocí duálního reaktivního mid-frequency ac magnetronového naprašování. Byl navržen optimální design povlaku využívající interferenci druhého řádu ZrO2 vrstev pro optimalizaci jak integrální transmitance ve viditelné oblasti, Tlum, tak modulace solární transmitance, DTsol. Za čtvrté, krystalická struktura spodní ZrO2 vrstvy dále zlepšuje krystalinitu VO2 vrstvy a reprodukovatelnost procesu. Za páté, horní ZrO2 vrstva poskytuje mechanickou a chemickou (zabránění kontaktu s atmosférou) ochranu V0.982W0.018O2 vrstev. Ukazujeme základní charakteristiky aplikované depoziční techniky a navrhovaného třívrstvého povlaku s hodnotami Tlum až 60 % a DTsol blízko 6 % pro povlaky s tloušťkou V0.982W0.018O2 vrstvy 45 nm a s hodnotami Tlum až 50 % a DTsol nad 10 % pro povlaky s tloušťkou V0.982W0.018O2 vrstvy 69 nm. Kapitola IV je věnována závěrům disertační práce. V kapitole V jsou uvedeny další publikace kandidáta.

Abstract:

Vanadium dioxide is a technologically important thin-film material with a great applica-tion potential (e.g. smart windows) due to its reversible first-order semiconductor-to-metal transition. This Ph.D. thesis deals with preparation and characterization of thermochromic VO2-based coatings. The thesis is divided into five chapters. Chapter I is devoted to a general introduction and to the problem statement. In Chapter II, the aims are defined. Chapter III is the most extensive and is devoted to the results achieved. This chapter is divided into seven parts presented in a form of six papers in prestigious international journals and one draft of the paper intended for submission into a prestigious international journal. Outstanding results have been achieved in the last part dealing with thermochromic VO2 based coatings prepared on soda-lime glass by pulsed reactive magnetron sputtering. Here, we combine five ways how to improve the coating performance and to increase its application potential. First, reactive high-power impulse magnetron sputtering with a pulsed O2 flow control was used to prepare crystalline VO2 layers of the correct stoichiometry under highly industry-friendly deposition conditions: without any substrate bias at a low substrate temperature of 330 °C. Second, simultaneous doping of VO2 by W (resulting in a V1-xWxO2 composition with x = 0.018 in this work) was performed using a pulsed dc reactive magnetron sputtering to reduce the semiconductor-to-metal transition temperature to 20 °C without concessions in terms of coating properties. Third, ZrO2 antireflection layers both below and above the thermochromic V0.982W0.018O2 layers were deposited at a low substrate temperature (< 100 °C) by a dual reactive mid-frequency ac magnetron sputtering. A coating design utilizing a second-order interference on the ZrO2 layers was proposed to optimize both the luminous transmittance, Tlum, and the modulation of the solar transmittance, DTsol. Fourth, the crystalline structure of the bottom ZrO2 layer further improved the VO2 crystallinity and the process reproducibility. Fifth, the top ZrO2 layer provided the mechanical and chemical (prevented contact with atmosphere) protection of the V0.982W0.018O2 layers. We give the basic characteristics of the applied deposition technique and the proposed three-layer coatings with Tlum up to 60% at DTsol close to 6% for a V0.982W0.018O2 thickness of 45 nm, and with Tlum up to 50% at DTsol above 10% for a V0.982W0.018O2 thickness of 69 nm. Chapter IV is devoted to the conclusions of the Ph.D. thesis. In Chapter V, further publications of the candidate are given.

Keywords

VO2, Oxid vanadičitý, Termochromické povlaky, Termochromické vrstvy, Vysokovýkonové pulzní magnetronové naprašování, HiPIMS, Nízkoteplotní depozice, Depoziční technika příznivá pro průmysl, Pulzní řízení, Charakteristiky iontového toku, Hmotnostní spektroskopie, Optické vlastnosti, Elipsometrie, Ramanova spektroskopie, Antireflexní vrstva

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 11. 2018

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