周章洋1,2，熊政伟2，曹林洪2，吴卫东1
(1. 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳 621900；2. 西南科技大学，四川绵阳 621900)
摘要：基于六角密排聚苯乙烯(PS)模板，采用电子束蒸镀法在石英基片上制备了Ag纳米阵列嵌埋的单斜相二氧化钒复合薄膜(Ag NPAs/VO2(M))，研究复合薄膜的微观结构、相变特性及光透过率。结果表明：复合薄膜中同时存在VO2(M)和Ag两相。复合薄膜相变温度(TC)低至55 ℃，通过能带模型分析揭示了Ag纳米颗粒的嵌入使得复合薄膜中自由电子浓度升高，诱发相变在较低温度处发生。相对于纯的VO2薄膜，在590~750 nm波段的透射率明显减弱，归因于复合薄膜中Ag NPAs对590~750 nm波段的可见光共振吸收，使得VO2薄膜固有的棕黄色被削弱。中图分类号：TB34 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2020)10–1567–07 虽然自20世纪80年代以来，全球范围内对VO2智能窗进行了研究，但尚未实现商业应用[1–3]。过高的相变温度(TC)和不受欢迎的棕黄色限制了基于VO2的智能窗口的使用[4–5]。在过去的几十年里，人们为解决这些问题付出了广泛的努力[1–6]。过高的TC，可以通过元素掺杂来降低[7–10]，尤其是钨(W6+)[7]掺杂，可以使TC降低到室温附近。但在大多数情况下，掺杂在降低TC的同时总是以太阳能调制效率和可见光透过率为代价，VO2薄膜的颜色难以达到理想的状态[4]。VO2膜的棕黄色可以通过VO2复合二维纳米结构的材料来调节[11–13]，如单层六角密排的VO2/SiO2复合纳米球结构[12–13]，其颜色由不受欢迎的棕黄色变为浅蓝色[12]。然而，这种复合结构并没有起到降低TC的效果。到目前为止，低TC和理想的薄膜颜色这2个因素还没有完全得到解决。因此，仍需要对此进行研究。向VO2薄膜中注入金属粒子可以增加薄膜中自由电子的浓度，进而影响TC和光学性质，注入金属粒子主要方式包括掺杂VO2[7–10]、金属纳米阵列/ VO2[14–16]和金属/VO2多层膜[17–18]等3种。在这些方法中，金属纳米阵列具有特殊的局域表面等离子体共振(LSPR)效应[19–21]，可以通过改变金属纳米颗粒的尺寸和间距来实现不同波段的光谱吸收[22–24]。银纳米粒子的LSPR吸收峰位于约500~750 nm波段之间[24–26]，即在棕黄色波段。为了改变薄膜的颜色，需要消除VO2相应的互补色(棕黄色)，即吸收棕黄色[27]。因此，银纳米颗粒嵌入VO2膜可能会调节VO2膜的棕黄色。本工作中采用聚苯乙烯(PS)模板和电子束蒸发法将Ag纳米阵列(Ag NPAs)嵌埋进入VO2(M)薄膜中，研究了薄膜的相变温度和颜色。 采用自组装的PS模板，以六角密排单层膜为掩膜，将Ag NPAs嵌埋入VO2(M)膜中形成复合薄膜。与所制备的纯VO2(M)薄膜相比，TC从65 ℃降低到55 ℃。结合Ag/VO2(M)的能带分析，阐述了向VO2(M)膜中注入了更多的自由电子，导致在其内部金属–半导体结位置吸收更多的能量，触发相变在较低温度处发生的机理。通过嵌埋Ag NPAs，薄膜对590~750 nm处波段进行强吸收，棕黄色光被稀释，薄膜的颜色被改变。Ag NPAs/VO2(M)膜同时满足降低TC和稀释颜色的要求。
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