智能窗用VO2基多层膜界面的原子和电子结构的第一性原理计算和分子动力学研究

VO2 is a promising thermochromic material that can intelligently control the transmittance of sunlight in the near-infrared region in response to the changes in ambient temperature. This property can be exploited to prepare energy-efficient smart windows with VO2 coatings to regulate solar energy. The multilayered structures of VO2/Au，VO2/Ag，VO2/Pt or VO2/TiO2, VO2/SnO2, VO2/ZnO have a positive effect on the thermochromic behavior of VO2. Although numerous studies over the past ten years have focused on the synthesis and characterization of VO2-based multilayers, far less emphasis has been devoted to the interfacial structures, especially the atomic and electronic structures involved with the oxidization durability, visible-light transmittance and metal-insulator transition temperature. On the other hand, molecular dynamics simulations and first-principles calculations have exhibited the strong excellence in the multilayered structures design, performance evaluation and prediction. In the present project, employing these computational tools and validation experiments, we will investigate several basic scientific issues in the interface of the VO2-based multilayers, including the effect of interface on the oxidization durability of VO2 layer, the modulation of critical temperature of metal-insulator transition, as well as the diffusion and migration mechanism in the interfaces, thus providing a better guidance for the experimental modification of smart windows.

VO2是一种随温度变化自动调节近红外光透射率的热致变色材料。将VO2和Au、Ag、Pt等贵金属，或TiO2、SnO2、ZnO等金属氧化物组成多层膜材料并贴覆在玻璃表面，制备出动态调节室内温度的“智能窗”，能大大降低建筑物的能耗。在过去十多年中，已有许多研究集中于VO2基多层膜材料的制备工艺和性能表征，但这类材料界面的原子微结构和电子行为需要更深入的认识，这对增强VO2薄膜抗氧化能力、提高可见光透过率，调控VO2金属-绝缘体转变温度有重要意义。第一性原理计算和分子动力学模拟已在材料表面和界面的设计和性能评价等方面显示出其强大的作用。本项目拟运用上述方法并结合实验验证来研究VO2基多层膜界面电子和原子结构的若干基础科学问题，包括界面对VO2层抗氧化能力的影响、界面上金属对VO2金属绝缘体转变温度的影响机制、相变前后界面原子排列及扩散和迁移的机制，进而为智能窗的实用化研究提供更好的指导和思路。

二氧化钒(VO2)是一种典型的强关联钒氧化合物，在340 K附近发生金属-绝缘相变(MIT)，并伴随电、光、磁等性质的急剧变化。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，对VO2界面行为及热敏性质调控进行了理论研究，并与实验结果进行了系统地比较和讨论，从而为实验上进一步改善VO2相变行为提供了理论依据。主要研究内容与结果如下：.1、采用第一性原理计算方法研究了M相VO2各个价态的本征点缺陷形成能，结果表明在富氧条件下，氧原子间隙是最容易形成的本征点缺陷。相反，在贫氧条件下，氧原子空位是最容易形成的本征点缺陷。在此基础上，着重分析了不同氧化学计量比对VO2体材料或表面的相变行为的影响。研究结果发现，由于氧空位的存在，体相VO2中电子浓度的增加，导致相变温度的降低。.2、研究了贵金属原子吸附VO2表面的相变行为，发现当贵金属(Ag、Au、Pt)吸附VO2(R) (110)表面时，分别吸附在六配位、五配位、五配位V原子上方；贵金属在表面上扩散结果表明它们与表面的作用强度大小为Ag<Au<Pt。另外，吸附后表面功函数也小于纯净表面，这是由于电荷从贵金属向表面转移和表面偶极矩的增强，从而导致体系电子浓度的增加。以上结果表明，通过构建贵金属/VO2双层薄膜结构，建立相变温度与功函数之间的关系，进而实现VO2相变温度的合理调控。.3.研究了TiO2诱导生长VO2(B)薄膜并改善其电学性质的行为，研究发现VO2/TiO2界面在VO2(B)的(001)方向施加应变，本质是改变VO6八面体之间V3d电子的交叠，从而调控带隙和载流子浓度，在宏观上表现出方块电阻降低和电阻温度系数提高。在计算上表现为带隙减小，载流子浓度增加，电导率明显升高。在实验上也证实了，通过磁控溅射在TiO2衬底上诱导生长VO2(B)，使(001)方向发生2.85%拉伸应变，电阻从94.00 kΩ降低为18.97 kΩ，电阻温度系数从2.13%升高为3.49%。