Modulação de propriedades ópticas infravermelhas de filmes finos de VO2 fabricados por deposição de laser pulsado ultrarrápido para aplicações de janelas inteligentes termocrômicas

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 11421 (2022) Citar este artigo

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Ao longo dos anos, o dióxido de vanádio, (VO2(M1)), tem sido extensivamente utilizado para fabricar filmes finos termocrômicos com foco no uso de estímulos externos, como o calor, para modular o visível por meio de transmitância de infravermelho próximo para eficiência energética de edifícios e conforto interno. Portanto, é valioso estender o estudo de materiais termocrômicos aos comprimentos de onda do infravermelho médio (MIR) para aplicações como dispositivos radiativos inteligentes. Além disso, existem inúmeros desafios com a síntese de filmes finos de VO2 (M1) puro, pois a maioria das técnicas de fabricação requer o pós-recozimento de um filme fino depositado para converter VO2 amorfo em uma fase cristalina. Aqui, apresentamos um método direto para fabricar filmes finos de VO2(M1) mais espessos em substratos de sílica quente (em temperaturas de substrato de 400 °C e 700 °C) a partir do material precursor de pentóxido de vanádio (V2O5). Um laser de femtosegundo de alta taxa de repetição (10 kHz) é usado para depositar o V2O5 levando à formação de VO2 (M1) sem nenhuma etapa de pós-annealing. A morfologia da superfície, as propriedades estruturais e as propriedades ópticas UV-visíveis, incluindo gap óptico e índice de refração complexo, em função da temperatura do substrato, foram estudadas e relatadas abaixo. Os estudos de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e difração de raios X confirmam que os filmes finos de VO2 (M1) depositados a 700 °C são dominados por uma estrutura cristalina monoclínica policristalina altamente texturizada. As características termocrômicas no infravermelho médio (MIR) em uma faixa de comprimento de onda de 2,5 a 5,0 μm são apresentadas usando medições de transmitância dependentes da temperatura. A transição de fase de primeira ordem de metal para semicondutor e a largura de banda de histerese da transição foram confirmadas como 64,4 °C e 12,6 °C, respectivamente, para uma amostra fabricada a 700 °C. As propriedades de emissividade termo-óptica indicam que esses filmes finos de VO2 (M1) fabricados com deposição de laser de femtosegundo têm forte potencial para gerenciamento térmico radiativo ou controle por meio de janelas ativas de economia de energia para edifícios, satélites e espaçonaves.

Cada vez mais o dióxido de vanádio (VO2) (M1) é um óxido metálico tecnologicamente importante, devido à sua notável mudança na transição de isolador para metal (IMT) de primeira ordem a uma temperatura crítica de cerca de 68 °C1,2. A temperatura de transição de fase dos filmes finos de VO2 (M1) pode ser acionada usando estímulos externos, como excitações ópticas térmicas, elétricas e ultrarrápidas. A transição de fase induzida de filmes finos de VO2 de isolante monoclínico para rutilo metálico é reversível e acompanhada por uma grande mudança nas propriedades elétricas, magnéticas e ópticas. Essas características têm potencial significativo para uma ampla gama de aplicações modernas, como atuadores, dispositivos de radiação inteligentes passivos, janelas inteligentes (ativas) termocrômicas, modulação de comprimentos de onda de infravermelho próximo (NIR) a infravermelho médio (MIR) ou comutação óptica para modular o Emissividade MIR e resfriamento radiativo passivo3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. Por exemplo, a temperatura de transição de fase do filme fino de VO2 (M1) está associada à modulação da transmitância e refletância da faixa espectral NIR para MIR em função da temperatura. Essas propriedades poderiam ser utilizadas para desenvolver sistemas de controle térmico mais eficientes2,14 dependendo do substrato de IR no qual o filme de VO2 é depositado e sua espessura. Alterações nas propriedades ópticas do filme fino de VO2 (M1) no MIR são bastante úteis para aplicações específicas, incluindo controle térmico de espaçonaves, edifícios com economia de energia e camuflagem seletiva contra sensores infravermelhos.

Houve numerosos estudos sobre filmes finos de VO2 (M1) (espessura < 0,90 μm) para aplicações de economia de energia termocrômica visível e infravermelho próximo19,20,21,22,23. Esses filmes de VO2 exibem excelente transparência NIR (comprimento de onda de 1,0 a 2,5 μm) (> 70% de transmitância) em baixas temperaturas de cerca de 25 °C. No entanto, a transmitância é completamente bloqueada ou reduzida a quase zero em temperaturas acima de 68 °C de transição metal-isolante. Esses estudos demonstram um melhor controle das propriedades de comutação de transição isolante-metal na faixa de comprimento de onda NIR, mas há um número limitado de estudos comparativos sobre filmes VO2 (M1) operando na região MIR para comprimento de onda mais longo (LWIR). Guinneton et al.15 em 2001, fabricaram filmes finos de VO2 em substratos de sílica em espessuras inferiores a 200 nm usando um alvo de vanádio e pulverização catódica reativa de RF para avaliar propriedades ópticas controláveis ​​no infravermelho. Da mesma forma, Gianmario et al.16 depositaram filmes finos de VO2 em um wafer de silício usando os mesmos métodos de pulverização catódica de RF para estimar as propriedades ópticas e a histerese térmica nas faixas subespectrais de MIR. Naturalmente, ambos os exemplos exigiram um estágio de recozimento pós-deposição. Uma temperatura de transição em torno de 68 °C foi relatada com uma diferença significativa na largura de banda de histerese térmica nas regiões de comprimento de onda curto e longo. Recentemente, Dongqing et al.23 sintetizaram filmes finos de VO2 com espessuras de 400 nm e 900 nm usando um processo sol-gel para avaliar transições de fase termocrômicas e propriedades termocrômicas IR na faixa de comprimento de onda de 7,5–14 μm.