[论文解读] Towards Commercializing Vanadium Dioxide Films: Investigation of the Impact of Different Interface on the Deterioration Process for Largely Extended Service Life

Tianci Chang, Xun Cao+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2019

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 45被引用 98

一句话总结

本研究提出一种基于HfO2的封装结构，通过在高湿度和高温环境下抑制降解，显著延长二硒化钒（VO2）薄膜的使用寿命。通过集成疏水、稳定的HfO2层，完全封装VO2薄膜的表面和截面，该方法在真实环境条件下实现了约16年的稳定相变性能，其中HfO2层作为水分和氧化的屏障，同时提升光学性能。

ABSTRACT

Long term stability is the most pressing issue that impedes commercialization of Vanadium Dioxide (VO2) based functional films, which show a gradual loss of relative phase transition performance, especially in humid conditions when serving as smart windows. Here, we investigated the impact of different interface on the deterioration process of VO2 films and proposed a novel encapsulation structure for largely extended service life. Hydrophobic and stable hafnium dioxide (HfO2) layers have been incorporated with VO2 films for encapsulated surfaces and cross sections. With modified thickness and structure of HfO2 layers, the degradation process of VO2 can be effectively suppressed. The proposed films can retain stable phase transition performances under high relative humidity (90%) and temperature (60 Celsius) over 100 days, which is equal to about 16 years in the real environment. Improving the stability of VO2 materials is a necessary step towards commercializing production of high performance films for long term use.

研究动机与目标

• 解决VO2基热致变色薄膜长期环境不稳定性这一关键挑战，该问题阻碍了其商业化进程。
• 研究不同界面结构（尤其是表面与截面暴露）对VO2薄膜降解过程的影响。
• 开发一种新型封装策略，利用疏水性HfO2层提升环境稳定性和光学性能。
• 基于加速老化数据，利用Hallberg-Peck模型量化VO2薄膜在真实环境下的使用寿命。
• 证明VO2薄膜完全被HfO2封装后，能显著提高对水分、氧化和热降解的抵抗能力。

提出的方法

• 采用原子层沉积（ALD）或脉冲激光沉积（PLD）在VO2薄膜上生长厚度可调（0–200 nm）的HfO2层。
• 设计多层VO2/HfO2结构以优化抗反射和光学性能，系统性调节HfO2厚度，以平衡可见光透过率与太阳调制性能。
• 采用Hallberg-Peck加速模型，将加速老化测试结果（90% RH，60°C，持续100天）外推至真实环境使用寿命。
• 开展三种不同的稳定性测试：高湿高温老化、沸水浸泡和最高达400°C的热退火。
• 通过XRD、SEM和透光率测量，监测随时间推移的相稳定性、微观结构演变及光学性能退化。
• 选用HfO2，因其天然疏水性、低水蒸气透过率、高硬度以及适合光学增强的合适折射率（约2.0–2.2）。

实验结果

研究问题

• RQ1 界面结构（特别是表面与截面暴露）如何影响VO2薄膜在高湿环境中的降解速率？
• RQ2 在高湿度和高温条件下，HfO2封装在多大程度上能抑制VO2的氧化和水解？
• RQ3 基于加速老化数据，HfO2封装VO2薄膜在真实环境下的定量使用寿命是多少？
• RQ4 HfO2层厚度如何影响VO2薄膜的光学性能和环境稳定性？
• RQ5 完全封装的HfO2/VO2结构在长时间沸水浸泡和高温退火后，能否保持稳定的相变行为？

主要发现

• 完全封装的VO2/HfO2薄膜（VH-2）在90%相对湿度和60°C条件下保持稳定热致变色性能超过100天，相当于真实环境条件下约16年的使用寿命。
• 由于其天然疏水性，HfO2层显著降低了水分吸附，通过降低表面电荷密度和水分子间较弱的氢键作用得到验证，相较于VO2。
• VH-2样品在沸水中浸泡24小时后仍保持约9%的太阳调制能力，而未封装的V-1薄膜在8小时内完全降解。
• XRD分析表明，完全封装的VH-2薄膜在高达375°C时仍保持纯单斜相VO2，而未保护的V-1薄膜在375°C时已转变为非热致变色的V2O5。
• HfO2层提升了热稳定性，VH-2薄膜在375°C时无任何降解，而截面暴露的VH-1样品在400°C时即发生降解。
• 光学测量显示，80 nm厚的HfO2层使可见光透过率达到最大值（55.8%），太阳调制性能达到15.9%，实现了光学性能与防护性能的最佳平衡。