Strongly thermochromic W-doped VO2 films with a large temperature coefficient of electrical resistance near room temperature

Abstract

We report the crystal structure, surface morphology, electronic band structure, optical and electrical properties, and semiconductor-metal transition characteristics of strongly thermochromic W-doped VO2 films with a large (up to −16 % 1/K) temperature coefficient of electrical resistance at a small hysteresis width of electrical resistivity (down to 3 °C) near room temperature, and with a wide temperature operation range at a high detection sensitivity (≥ 8 % 1/K) and low values of the electrical resistivity. They were deposited at a reduced substrate temperature of 350 °C onto soda-lime glass (SLG) with two versions of yttria-stabilized zirconia (YSZ) interlayers possessing different cubic crystal orientations, and onto bare SLG and monocrystalline YSZ and Al2O3 substrates for comparison. The W-doped VO2 depositions were performed using reactive deep oscillation magnetron sputtering with feedback pulsed O2 flow control, allowing us to increase the deposition rate of films up to 20–30 nm/min for a target-substrate distance of 100 mm. The results are important for further improvement of the thermochromic performance of VO2-based coatings for energy-saving smart windows and for a new design of high-performance infrared detectors and temperature sensors prepared by a fast, low-temperature, scalable synthesis.

Popisujeme krystalovou strukturu, morfologii povrchu, elektronovou pásovou strukturu, optické a elektrické vlastnosti a charakteristiky přechodu polovodič-kov silně termochromických vrstev VO2 dopovaných wolframem s velkým teplotním součinitelem elektrického odporu (až −16 % 1/K) při malé šířce hystereze elektrické rezistivity (až jen 3 °C) v blízkosti pokojové teploty, a s širokým teplotním rozsahem provozu při vysoké detekční citlivosti (≥ 8 % 1/K) a nízkých hodnotách elektrické rezistivity. Vrstvy byly naneseny při snížené teplotě substrátu 350 °C na sodnovápenaté sklo (SLG) se dvěma verzemi mezivrstev yttriem stabilizovaného oxidu zirkoničitého (YSZ) s různými orientacemi kubických krystalů, a pro srovnání také na čisté SLG a monokrystalické substráty YSZ a Al2O3. Depozice VO2 dopovaného wolframem byly provedeny pomocí reaktivního magnetronového naprašování s hlubokými oscilacemi a s pulzní regulací průtoku O2, což nám umožnilo zvýšit rychlost depozice vrstev až na 20–30 nm/min při vzdálenosti terč-substrát 100 mm. Výsledky jsou důležité pro další zlepšení termochromických vlastností povlaků na bázi VO2 pro energeticky úsporná inteligentní okna a pro nový design vysoce výkonných infračervených detektorů a teplotních senzorů připravených pomocí rychlé nízkoteplotní škálovatelné syntézy.