Vysoce účinné termochromické povlaky ZrO2/V1-xWxO2/ZrO2 s nízkou přechodovou teplotou připravené na skle pomocí reaktivního pulzního plazmatu

Mgr. Tomáš BÁRTA

Doctoral thesis

High-performance thermochromic ZrO2/V1-xWxO2/ZrO2 coatings with a low transition temperature prepared on glass using reactive pulsed plasma

Abstract:

Disertační práce se zabývá přípravou a charakterizací termochromických povlaků na bázi VO2 se zaměřením na jejich použití na tzv. chytrá okna. Celá práce je členěna do osmi kapitol. První a druhá kapitola jsou věnovány úvodu a shrnutí současného stavu poznání. Ve třetí kapitole jsou stanoveny cíle disertační práce. Ve čtvrté kapitole je detailně představena použitá metoda založená na reaktivním vysokovýkonovém pulzním magnetronovém naprašování s řízeným pulzním napouštěním kyslíku do depoziční komory, která umožňuje přípravu vysoce účinných VO2 vrstev za relativně nízkých teplot substrátu (330 °C) a bez předpětí na substrátu. Dále jsou zde popsány použité metody charakterizace připravených povlaků. V závěru kapitoly je představen optický model využívající dvou antireflexních ZrO2 vrstev, který byl vyvinut za účelem dosažení co nejlepších optických vlastností termochromických povlaků. Pátá kapitola je věnována dosaženým výsledkům a je členěna do tří částí. V první části byla experimentálně ověřena správnost zmíněného optického modelu. Využití dvou antireflexních ZrO2 vrstev o tloušťce 180 nm vedlo k významnému zvýšení hodnot Tlum a dTsol připravených povlaků. Druhá část je věnována optimalizaci metody přípravy za účelem snížení teploty přechodu termochromických povlaků. Toho bylo dosaženo dopováním VO2 wolframem. Výsledkem pak byl termochromický povlak s teplotou přechodu 20 °C a excelentní kombinací hodnot Tlum téměř 50% a dTsol > 10%. Ve třetí části byla provedena rozsáhlá studie procesu přípravy termochromických povlaků s cílem zvýšit aplikační potenciál navržené depoziční techniky. Výsledkem byly nové depoziční parametry pro přípravu termochromických vrstev V1-xWxO2, které díky nižší maximální hodnotě hustoty výkonu na vanadovém terči během výbojového pulzu kladou mnohem nižší nároky na použitý zdroj napětí v případě přenosu metody přípravy na depoziční zařízení používající terče o velkých plochách. Dalšího zdokonalení procesu přípravy termochromických povlaků bylo dosaženo deponováním antireflexních vrstev ve stejné komoře, ve které byly deponovány termochromické vrstvy. Kromě urychlení procesu tím bylo také zabráněno možné kontaminaci povrchů vrstev mezi jednotlivými depozicemi vlivem jejich vystavení atmosféře. Všechny termochromické povlaky v této části byli kromě klasického sodnovápenatého skla připraveny také na ultratenkém (0,1 mm) flexibilním skle, které je považováno za mimořádně perspektivní pro přípravu termochromických povlaků na bázi VO2 ve velkých depozičních zařízeních využívajících metodu roll-to-roll. Povlaky připravené na obou substrátech vykazovaly dobré termochromické vlastnosti zejména s ohledem na nízkou přechodovou teplotu Ttr = 22 °C a významně nižší (oproti většině laboratoří) teplotu substrátu Ts = 330 °C. Nově nalezené depoziční podmínky se staly základem pro první přenos metody přípravy termochromických povlaků z laboratorních podmínek (ZČU) na velké depoziční zařízení (Fraunhofer Institute FEP). V šesté kapitole jsou shrnuty dosažené výsledky. Sedmá a osmá kapitola pak obsahují seznam použité literatury a seznam prací disertanta.

Abstract:

The thesis deals with the preparation and characterization of VO2-based thermochromic coatings with a focus on their use on smart windows. The whole work is structured into eight chapters. The first and second chapters are devoted to the introduction and overview of the current state of knowledge. The third chapter defines the aims of this thesis. In the fourth chapter, the used preparation method based on reactive high-power impulse magnetron sputtering with controlled pulsed oxygen injection into the deposition chamber is presented. This method allows us to deposit high-performance VO2 layers at relatively low substrate temperatures (330 °C) and without any substrate bias voltage. The next part describes the methods used to characterize the prepared coatings. At the end of the chapter, an optical model using two anti-reflection ZrO2 layers is presented. The model was developed to optimize the optical properties of thermochromic coatings. The fifth chapter is devoted to the achieved results. In the first part, the correctness of the aforementioned optical model was verified experimentally. The use of two anti-reflection ZrO2 layers with a thickness of 180 nm led to a significant increase in the Tlum and dTsol values of the prepared coatings. The second part is devoted to the optimization of the preparation method to reduce the transition temperature of thermochromic coatings. This was achieved by doping VO2 with tungsten. The result was a thermochromic coating with a transition temperature of 20 °C and an excellent combination of Tlum (almost 50%) and dTsol (more than 10%). In the third part, an extensive study of the preparation process of thermochromic coatings was carried out to increase the application potential of the proposed deposition technique. It led to new deposition parameters for the preparation of thermochromic V1-xWxO2 layers. The lower maximum value of the power density on the vanadium target during the discharge pulse places much lower demands on the used power supply in the case of transfer of the preparation method to the large-scale deposition devices. Further improvement of the preparation process was achieved by depositing anti-reflection layers in the same chamber as the thermochromic layer. In addition to speeding up the process, this also prevented possible contamination of the surfaces of the layers between individual depositions due to their exposure to the atmosphere. All thermochromic coatings in this section were, in addition to soda-lime glass, also prepared on ultra-thin (0.1 mm) flexible glass, which is considered extremely promising for the preparation of VO2-based thermochromic coatings in large roll-to-roll deposition devices. The coatings prepared on both substrates exhibited good thermochromic properties, with regard to the low transition temperature Ttr = 22 °C and significantly lower (compared to most laboratories) substrate temperature Ts = 330 °C. The newly found deposition conditions became the basis for the first transfer of the preparation method from laboratory conditions (University of West Bohemia) to a large deposition device (Fraunhofer Institute FEP). The sixth chapter summarizes the achieved results. The seventh chapter contains the list of the used literature and the eighth chapter contains the list of publications of the doctoral candidate.

Keywords

oxid vanadičitý, termochromické povlaky, nízká teplota přechodu, pulzní magnetronové naprašování, antireflexní vrstva, vícevrstvá struktura, ultratenké flexibilní sklo, chytrá okna

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 2. 2023

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

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