A low-temperature synthesis of strongly thermochromic W and Sr co-doped VO2 films with a low transition temperature

Abstract

The reversible semiconductor-to-metal transition of vanadium dioxide (VO2) makes VO2-based coatings a promising candidate for thermochromic smart windows, reducing the energy consumption of buildings. We report low-temperature (320 °C) depositions of thermochromic V1-x-yWxSryO2 films with a thickness of 71–73 nm onto 170–175 nm thick Y-stabilized ZrO2 layers on a 1 mm thick conventional soda-lime glass. The developed deposition technique is based on reactive high-power impulse magnetron sputtering with a pulsed O2 flow feedback control allowing us to prepare crystalline W and Sr co-doped VO2 films of the required stoichiometry without any substrate bias or post-deposition annealing. The W doping of VO2 decreases the transition temperature below 25 °C, while the Sr doping of VO2 increases the integral luminous transmittance, Tlum, significantly due to widening of the visible-range optical band gap, which is consistent with lowering of the absorption coefficient of films. We present the discussion of the effect of the Sr content in the metal sublattice of VO2 on the electronic and crystal structure of V1-x-yWxSryO2 films, and on their temperature-dependent optical and electrical properties. An optimized V0.855W0.018Sr0.127O2 film exhibits a high Tlum = 56.8% and modulation of the solar energy transmittance ΔTsol = 8.3%, which are 1.50 times and 1.28 times, respectively, higher compared with those of the V0.984W0.016O2 film. The achieved results constitute an important step toward a low-temperature synthesis of large-area thermochromic VO2-based coatings for future smart-window applications, as it is easy to further increase the Tlum and ΔTsol by >6% and >3%, respectively, using a 280 nm thick top SiO2 antireflection layer.

Díky reverzibilnímu přechodu oxidu vanadičitého (VO2) z polovodiče na kov jsou povlaky na bázi VO2 slibným kandidátem na termochromická chytrá okna, která snižují spotřebu energie v budovách. Představujeme nízkoteplotní (320 °C) depozice termochromických vrstev V1-x-yWxSryO2 o tloušťce 71–73 nm na vrstvy ZrO2 stabilizované ytriem o tloušťce 170–175 nm na běžném sodnovápenatém skle o tloušťce 1 mm. Vyvinutá depoziční technika je založena na reaktivním pulsním magnetronovém naprašování s vysokým výkonem a zpětnovazebním řízením průtoku O2, což nám umožňuje připravit krystalické vrstvy VO2 dopované wolframem a stronciem o požadované stechiometrii bez jakéhokoli předpětí na substrátu nebo žíhání po depozici. Dopování VO2 wolframem snižuje teplotu přechodu pod 25 °C, zatímco dopování VO2 stronciem výrazně zvyšuje integrální světelnou propustnost Tlum v důsledku rozšíření optického zakázaného pásu ve viditelné oblasti, což je v souladu se snížením absorpčního koeficientu vrstev. Uvádíme diskusi o vlivu obsahu Sr v kovové podmřížce VO2 na elektronickou a krystalovou strukturu vrstev V1-x-yWxSryO2 a na jejich optické a elektrické vlastnosti v závislosti na teplotě. Optimalizovaná V0,855W0,018Sr0,127O2 vrstva vykazuje vysokou hodnotu Tlum = 56,8 % a modulaci propustnosti sluneční energie ΔTsol = 8,3 %, které jsou 1,50krát, resp. 1,28krát vyšší ve srovnání s V0,984W0,016O2 vrstvou. Dosažené výsledky představují důležitý krok směrem k nízkoteplotní syntéze velkoplošných termochromických povlaků na bázi VO2 pro budoucí aplikace v oblasti chytrých oken, neboť pomocí 280 nm silné vrchní antireflexní vrstvy SiO2 lze snadno dále zvýšit Tlum a ΔTsol o >6 %, resp. o >3 %.