节能玻璃薄膜ZnO/VO2/ZnO的界面结构调控及其热致变色机制研究

The VO2 film is not immediately applicable to energy-saving window coatings because of a great challenge: the phase transition temperature is difficult to be decreased to room temperature when the luminous transmittance is higher and the thermochromic reflectance modulation is stronger. To solve this problem, multilayer ZnO/VO2/ZnO films will be proposed in this project because the strain tuning induced by ZnO/VO2/ZnO heterointerface and the concentration change of carriers caused by oxygen vacancies in VO2 film will positively decrease the phase transition temperature. The multilayer ZnO/VO2/ZnO films will be prepared on the glass by solotion process. The structure of ZnO/VO2/ZnO heterointerface will be controlled by adjusting the exposed facets of ZnO nanocrystals. The oxygen concentration of ZnO and VO2 films will be controlled by adjusting the oxygen gas during the thermal treatment. Herein, the underlying relationship between the structure of ZnO/VO2/ZnO heterointerface, interface strain in the VO2 films, the oxygen concentration and carrier concentration of VO2 films and the thermochromic performance of VO2 films will be established to reveal the thermochromic mechanism of VO2 films, which will be confirm further by the First-principle calculation. Therefore, this work will promote the application of the multilayer ZnO/VO2/ZnO films in energy-saving window panels.

VO2薄膜用于热致变色节能玻璃窗的主要问题在于兼顾其可见光透过率较高和红外光调制效果较大的条件下，相变温度难以降低到室温。针对此问题，本项目拟通过调节ZnO/VO2/ZnO多层膜异质界面产生的应力和VO2薄膜中的氧空位引起的载流子浓度变化来共同降低VO2薄膜的热致变色温度。采用溶液法在普通玻璃表面制备ZnO/VO2/ZnO多层膜，并通过调节ZnO纳米晶的暴露晶面来调控其异质界面结构，通过调节后续热处理气氛中氧气含量来调控ZnO纳米晶及VO2薄膜的氧空位浓度，建立异质界面结构和VO2薄膜的界面应力、氧空位浓度及载流子浓度、VO2薄膜热致变色性能的内在联系，同时采用第一性原理计算方法来进一步揭示这四者之间的关联，以此来探索VO2薄膜的热致变色机制，并推动该多层膜在智能窗中的应用。

热致变色节能玻璃是实现建筑节能的一种重要方法。该玻璃表面VO2薄膜是一种理想的热致变色材料，不过在兼顾其可见光透过率较高和太阳光调制率较大的条件下相变温度难以降低至室温，针对这一问题，本项目拟通过ZnO等氧化物与VO2复合形成异质结，发展多种方法来调控异质结界面结构包括界面应力、氧空位浓度和载流子浓度，从而调节VO2基薄膜的热致变色性能包括可见光透过率、太阳光调制率和相变温度等，建立VO2基薄膜异质结构特征与其热致变色性能参数的内在关联，揭示其热致变色机制，以推动该薄膜在智能窗中的应用。本项目从设计VO2基薄膜的结构入手，一方面构造VO2基颗粒弥散膜，包括调控VO2基颗粒的成分及粒径（采用氨气气氛下热处理一步法规模化制备了W掺杂VO2颗粒，采用高能球磨法将这些VO2基颗粒与ZnO或WO3纳米晶复合成纳米复合颗粒并形成异质界面，采用棉花牺牲模板法制备了W掺杂介孔VO2纳米晶并通过合成温度调节了颗粒尺寸）、调控弥散膜结构即颗粒浓度、分布等和复合ZnO膜层形成多层膜结构等，发展了弥散膜的结构调控方法，揭示了弥散膜结构与其热致变色性能的内在联系；另一方面改善VO2致密膜结构，包括宽禁带Zn2V2O7颗粒的复合并引入界面应力、酸溶液处理在膜中造孔、锌离子溶液处理调控其表面结构、Ta掺杂引入缺陷及ZIF-L膜层复合等，显著提升了VO2基薄膜的热致变色性能，阐明了元素掺杂如W、Ta、N和P等及氧空位浓度对VO2基薄膜结构和性能的影响规律，揭示了VO2基薄膜的热致变色机制。以上研究结果为高性能VO2基薄膜的制备提供了很好的实验和理论依据，将推动VO2基薄膜在节能玻璃中的应用。在此基础上，发表国际期刊论文16篇，申请国家发明专利17件，其中授权9件。