Quelles sont les caractéristiques et les applications du dioxyde de vanadium préparé par pulvérisation magnétron ?
pulvérisation magnétronLargement utilisé pour la préparation de films minces de VO2, le matériau cible est généralement un métal de vanadium très pur, le vide de fond est généralement supérieur à 10-3Pa, et la chambre à vide est remplie d'oxygène et d'argon. La préparation du film contient généralement des oxydes de vanadium V2O3, VO2, V2O5, mais en ajustant la pression partielle d'oxygène, la température de dépôt et l'espacement de la base de la cible, il est possible de préparer des films de VO2 de haute qualité.
Caractéristiques du dioxyde de vanadium
Film très uniforme et continu
La technologie de pulvérisation magnétron permet de déposer le matériau de manière uniforme sur un substrat, produisant un film continu sans fissures ni défauts significatifs. Ceci est particulièrement important pour garantir la fonctionnalité du film, car la cohérence des propriétés physiques est essentielle pour la réponse thermique et électrique du VO₂.
Epaisseur et composition du film contrôlées
En contrôlant précisément les paramètres de pulvérisation tels que la puissance, la pression d'air, le temps de pulvérisation et la distance entre la cible et le substrat, l'épaisseur et la composition du film peuvent être ajustées avec précision. Ceci est essentiel pour obtenir des propriétés de changement de phase spécifiques au VO₂ (par exemple, la transformation d'un isolant en métal à une température spécifique).
Excellentes propriétés de changement de phase
Le principal attrait des films de VO₂ est leur capacité unique de changement de phase sensible à la température, qui peut être maintenue et reproduite efficacement par pulvérisation magnétron. À des températures ambiantes proches de 68°C, les films de VO₂ peuvent rapidement passer d'un état isolant à un état métallique, un changement qui s'accompagne de modifications significatives de la conductivité et des propriétés optiques.
Propriétés optiques et électriques améliorées
En ajustant les conditions de pulvérisation, telles que la température du substrat et l'atmosphère de pulvérisation (par exemple, la teneur en oxygène), la structure du film peut être optimisée pour améliorer sa transmission optique et sa conductivité électrique. Dans les applications de fenêtres intelligentes, par exemple, une telle optimisation peut améliorer leur capacité à réguler la chaleur et la lumière.
Utilisation des matériaux et productivité accrues
L'utilisation élevée du matériau cible dans le processus de pulvérisation magnétron et le fait que l'équipement a généralement une vitesse de dépôt élevée se traduisent par une productivité élevée et des coûts de production réduits.
Large gamme d'adaptations de substrats
La pulvérisation magnétron peut être effectuée sur de nombreux types de substrats, y compris le verre, le plastique et le métal, ce qui élargit la gamme d'applications des films VO₂, comme la possibilité de les appliquer à des surfaces pliables ou à des objets de formes différentes.
Respect de l'environnement et faible pollution
La pulvérisation magnétron est souvent considérée comme une méthode de préparation plus respectueuse de l'environnement que d'autres méthodes telles que le dépôt chimique en phase vapeur, car elle utilise moins de précurseurs et n'implique pas l'utilisation de produits chimiques hautement toxiques.
Applications du dioxyde de vanadium
Dispositif térahertz au dioxyde de vanadium
La gamme de longueurs d'onde de 0,03 à 3 mm est définie comme térahertz, qui contient des ondes électromagnétiques dont les fréquences sont comprises entre 0,1THz et 10THz, entre les bandes de longueurs d'onde des micro-ondes et de l'infrarouge. Au tout début, le térahertz était connu sous différents noms dans différents domaines, l'infrarouge lointain étant utilisé dans le domaine optique, et les ondes submillimétriques, les hyperfréquences, etc. étant utilisées dans le domaine électronique. La technologie térahertz a été reconnue comme l'une des "dix principales technologies qui changeront le monde à l'avenir". La transition de phase du dioxyde de vanadium permet d'absorber des fréquences spécifiques d'ondes térahertz et d'utiliser cette propriété du matériau à des fins de commutation. D'une part, l'impédance du film et du substrat et l'impédance de l'environnement externe étant égales, la structure d'absorption ne produira pas de réflexion, de sorte que l'onde térahertz ne sera pas réfléchie ; d'autre part, la résonance de l'onde térahertz et la couche supérieure de la structure en anneau métallique produiront un ou plusieurs pics d'absorption, et en même temps, le film métallique empêchera les térahertz de traverser le dispositif, et enfin l'absorptance de l'absorbeur sera un changement dans le taux d'absorption, l'utilisation d'un tel principe permettant de fabriquer l'absorbeur.
Supports de disque
Les matériaux aux propriétés optiques bistables peuvent être transformés en supports de stockage de données optiques, et le film Vo2 appartient précisément à ce type de matériau. La transition entre ses deux états stables est réversible, de sorte qu'il peut être utilisé comme support de disque optique lisible, inscriptible et effaçable. Il a été constaté que les données stockées dans les films Vo2 peuvent être conservées pendant une longue période et qu'elles peuvent résister aux changements de température ambiante et à l'irradiation ultraviolette.
Dispositifs de commutation optique
Avec un changement de phase de la résistance allant jusqu'à 5 ordres de grandeur avant et après le changement de phase du VO2 et un temps de conversion de quelques nanosecondes, le VO2 peut être utilisé comme interrupteur thermique ou comme capteur thermique pour réaliser un contrôle automatique des circuits. Les commutateurs optiques utilisent le VO2 dans la région visible et infrarouge de la transmittance du changement soudain, en ajoutant une sorte d'excitation, et finalement réaliser la transmission et la réflexion de la marche et de l'arrêt, ce qui est connu comme le modulateur de lumière. L'onde térahertz se situe entre les micro-ondes et l'infrarouge, entre les ondes électromagnétiques. C'est le dernier spectre électromagnétique à être développé dans la région spectrale, dans le sens des communications à large bande, de la détection biologique, des propriétés des matériaux semi-conducteurs de la recherche, qui ont une grande valeur d'application.
Couche de protection laser pour les détecteurs infrarouges
Sur la base de l'énorme différence de transmittance IR avant et après la transition de phase du VO2, nous pouvons utiliser le film VO2 comme couche protectrice contre le rayonnement laser IR. Lorsqu'il est soumis à un rayonnement laser, il peut rapidement subir une transition de phase métallique-semiconducteur, avec une transmittance infrarouge élevée avant la transition de phase et une réflectance infrarouge très élevée après la transition de phase. En l'absence de rayonnement laser, le film VO2 présente une transmittance infrarouge élevée, le fonctionnement normal du dispositif infrarouge n'est pas affecté ; lorsqu'il est soumis à un rayonnement laser, le film VO2, dans un laps de temps ultra-court, change de phase pour passer à l'état métallique, avec cette fois une réflectivité infrarouge élevée, bloquant la transmission de la lumière de rayonnement, afin d'atteindre l'objectif de protection du détecteur.
Revêtement intelligent des films pour fenêtres
Ce dispositif optique recouvert d'une fine pellicule de VO2 est contrôlé lorsque les conditions électriques, optiques et thermiques externes induisent une transition de phase du matériau VO2, la transmittance élevée de l'état isolant avant la transition de phase et la réflectance élevée de l'état métallique après la transition de phase, ce qui est le principe du matériau de dioxyde de vanadium appliqué à la fenêtre intelligente. Cette fenêtre intelligente en dioxyde de vanadium peut être régulée de manière réversible en fonction de l'effet de la température sur la transition de phase. En particulier, la lumière de la bande infrarouge peut empêcher efficacement l'absorption de la lumière infrarouge externe, ce qui permet de maintenir une température intérieure constante. Au contraire, lorsque la température extérieure est inférieure à la température du changement de phase du film, la transmittance de la lumière augmente, ce qui a pour effet d'augmenter la température de la pièce. En exploitant pleinement les dons de la nature, l'utilisation de matériaux VO2 pour réguler et maintenir la température ambiante de manière flexible est bénéfique pour l'objectif de développement durable.
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