付亚东1刘鉴宁2刘红英彳张远洋彳张得全1梁小平彳
2.天津工业大学材料科学与工程学院天津300387）
摘要在ITO玻璃基体上采用磁控溅射法制备用于电致变玻璃的V2O5离子储存薄膜，重点研究了溅射时间（2〜5h）对v205薄膜结构与性能的影响。研究结果表明：随着溅射时间延长，V2O5薄膜的厚度随着溅射时间延长而增厚，透过率随着厚度增加而呈现降低趋势；溅射4〜5h下制备的V2O5薄膜离子储量高于20mC/crn2。综合考虑离子储存量和可见光透过率，磁控溅射法制备离子储存V2O5薄膜的溅射时间控制为4h为宜。
关键词磁控溅射，离子储存薄膜，V2O5，溅射时间，透过率
中图分类号：0646文献标识码：A文章编号：1003-1987（2021）04-0021-05
Effects of Sputtering Time on the Structure and Properties
of V2O5Ion Storage Film Prepared by Magnetron Sputtering
FU Yadong1,LIU Jianning2,LIU Hongying2,ZHANG Yuanyang2,ZHANG Dequan1,LIANG Xiaoping2
(1.Tianjin SYP Engineering Glass Co.,Ltd.,Tianjin300409,China；
2.School ofMaterials Science and Engineering,Tiangong University,Tianjin300387,China) Abstract:V2O5ion storage films were prapared by magnetron sputtering on ITO glass substrate,and the effect of sputtering time(2-5h)on the structure and properties film was mainly studied.The results show that with the increase of sputtering time,the thickness of the film is increased,meanwhile,the average transmittance is decreased.The ion storage capacity of V2O5films excess20mC/cm2when the sputtering time is4h or5h.Taking into account the ion storage and visible light transmittance,the sputtering time of ion storage V2O5films by magnetron sputtering is controlled to4h.控制器设计
Key Words:magnetron sputtering,ion storage film,V2O5,sputtering time,transmittance
0引言
随着中国经济的发展，能耗和环保两大问题引起了人们的重视⑴。其中，商业建筑的能耗约占全球总能耗的18%®，各国对电致变门窗（也叫智能门窗）的研究和使用表明，绿和节能已成为当今时
代的主题。智能窗的结构是由透明导电层-电致变层-电解质层-离子储存层-透明导电层，相对于研究比较多的电致变层材料，离子储存层材料的研究报道较少。但作为智能窗的重要组成部分之一，离子储存层性能的好坏直接影响到智能窗的循环耐久性和光学对比
资助项目：天津市科技计划项目（20YDTPJC00800）
作者简介：付亚东（1985-），男，硕士，工程师，从事节能玻璃和镀膜工艺研究。
通信作者：梁小平，博士，教授，研究方向为无机非金属功能材料和材料表面工程。
21
度。由于它的主要作用是储存补偿离子（Lil 圧等），所以对离子储存材料的要求主要是有较大的离子存储能力和良好的循环稳定性[3]。
在研究较多的无机离子储存层材料NiOje、V2O5[6-9],IrO2[1°-11]中，V2O5特殊结构中存在广延的通道，提高了Li+或圧的传输速率，并具有良好的储存性能，使其作为智能窗离子储存薄膜材料的研究热点。薄膜的制备方法包括化学方法（如溶胶凝胶法）和物理方法（磁控溅射法）等，大量研究表明，溅射条件（溅射时间、溅射温度、气流压力）、退火条件（退火温度、退火时间）等对薄膜的结构与性能的影响较大。本文重点研究溅射时间对磁控溅射V2O5薄膜结构与性能的影响。
1实验
排卵检测仪1.1材料制备
采用M S P-300C磁控溅射镀膜系统制备V2O5薄膜，通过抽气使溅射腔内的真空度达到3.4x IO"4Pa o介质靶材为纯度为99.99%V2O5，在溅射过程中，通入氮气（Ar，纯度为99.99%）作为核能粒子轰击靶材，氮气流为20seem，溅射压力2Pa，溅射时间2〜5h得到不同厚度薄膜，然后将制得的V2O5薄膜置于马弗炉中退火热处理，退火时间3h，退火温度400兀。
1.2测试与表征
采用多晶X射线衍射仪（日本，Rigaku D/max-2500v/pc）对所制得的V2O5薄膜进行XRD分析。采用日立公司HitachS-4800电镜对V2O5薄膜形貌进行表征。采用上海芷云光电有限公司生产M-2000U Ellipsometer型号的椭偏仪对样品进行厚度的测试。采用德国Zahner电化学工作站以钳片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，用lMLiC104的PC溶液作为电解液，进行测试样品的循环伏安曲线，扫描电压范围为-0.4〜1.2V，扫描速率为50mV/s，扫描次数为50次。22米用美国Perkin Elmer公司生产的Lambda750紫外-可见漫反射光谱仪测试V2O5薄膜透光率。
2结果与讨论
图1示出了溅射时间4h时V2O5薄膜的XRD谱图。从图1中可以看出所得V2O5薄膜在20.3。处出现V2O5衍射峰，对应的是（001）晶面（PDF#85-0601）。
图2示出了薄膜退火温度为400兀、退火时间3h热处理的V2O5薄膜厚度随溅射时间变化的关系。从图2中可以看出，V2O5薄膜厚度随溅射时间延长而线性增加，溅射2、3、4、5h所得V2O5薄膜的厚度分别为104.25、119.86、134.88、149.96nm。
溅射时间/h
图2
溅射时间与薄膜厚度的渐变曲线
众所周知，厚度对透光率影响较大，而电致变玻璃对着/褪的透光率有一定要求，因此，对不同溅射时间制得的V2O5薄膜进行紫外分光光度计的测试，见图3。由图3可知，溅射2〜5h所得V2O5薄膜在可见光范围内的平均透过率为92.92%〜72.27%，即当溅射时间由2h增加到5h,V2O5薄膜厚度增加了43.85%，透过率降低了22.22%，即厚度阻碍了部分可见光的透过。
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图3溅射时间对V2O5薄膜透过率的影响
图4示出了不同溅射时间下制备的V205薄膜电化学性能。从图4（a）可以看到，所有薄膜的循环伏安曲线均是闭合曲线，在50次循环后，薄膜仍具有锂离子嵌入/脱出可逆性，氧化峰和还原峰说明薄膜在氧化与还原过程中（嵌锂态和脱锂态）均发生了氧化还原反应[12]o当溅射时间为4h和5h时，V2O5薄
膜峰电流分别为4.41mA和5.67mA，比3h溅射时间制备的薄膜峰电流（2.49mA）分另lj 提高了77.11%和127.71%，这表明当溅射时间为4h时，其Li+的传输速率显著增加；图4（b）离子注入/脱出容量曲线，负值是离子脱出量，正值是离子嵌入量，脱出和嵌入构成一个循环。在开始几次循环中，离子储存容量降低较快，在循环20次以后，所有薄膜离子嵌入/脱出容量均保持稳定。当溅射时间为4h,V2O5薄膜储存容量分别为24.96mC/cm2，而溅射时间延迟1h，储存容量提高了0.45mC/cm2，经50次循环后，离子储存量分别下降到21.93mC/cm?和22.35mC/cm2，降低12.12%和12.03%，可以认为溅射时间为4h时，V2O5薄膜的稳定性开始增强。
-0.20.00.20.40.60.8 1.0
电位/V
(a)循环伏安曲线
(
电pbs配方
V
U
U
I
)
3
o
o
o
o
O
3
2
1
1
■2h
3h
亠4h
—^―5h
010********
循环次数
（b）离子注入/脱出容量曲线-20
-30
图4不同溅射时间V2O5薄膜电化学性能
图5示出了不同溅射时间的V2O5薄膜表面SEM图。从图5可以看出，当溅射时间从2h延长至5h时，溅射沉积到IT0玻璃表面的V2O5颗粒的数目呈上升趋势，而且晶粒尺寸分布越来越均化，V2O5晶粒数目的增加，较大提高了薄膜的比表面积，从而使得V2O5薄膜的电化学性能升高。
23
(a)(b)
(c)(d)
图5不同溅射时间制备的V2O5薄膜SEM图
综合考虑，满足离子储存量大于20mC/cm2A 可见光透过率要高于80%，磁控溅射法制备离子储存V2O5薄膜的溅射时间控制为4h为宜。
3结论
(1)采用磁控溅射法在ITO玻璃基地上成功制备了V2O5离子储存层。
(2)V2O5薄膜的厚度随着溅射时间延长而增厚，从2h延长到5h，厚度从104.25nm到149.96 nm；薄膜透过率随着厚度增加而呈现降低趋势，从92.92%降低到72.27%。
(3)电化学性能测试结果表明，溅射时间为4h和5h时制备的V2O5薄膜峰电流比3h分别提高了力.11%和127.71%，离子储量分别是24.96mC/cm2和25.38mC/cm2，均高于20mC/cm2o
(3)综合考虑离子储存量和可见光透过率，磁控溅射法制备离子储存V2O5薄膜的溅射时间控制为4h为宜。
参考文献
[1]PICCOLO,ANTONIO.Performance requirements for electroch-
romic smart window[J].Journal of Building Engineering,2015,
3:94-103.
[2]CAI G,WANG J,LEE P S.Next-Generation multifunctional
electrochromic devices[J].Accounts of Chemical Research,
2016,49(8)：1469-1476.
[3]王静•氧化飢薄膜的制备及电学性质研究[D]，四川大学,wlan下线
2006.
[4]Qiu J H,Chen Z,Zhao T X,et al.Effect of0concentration
on the electrochromic properties of NiO xfilms[J].Journal of Nanascience and Nanotechnology,2018,18(7):
4814-4821
下变频器[5]李文杰•氧化鹄和氧化鎳薄膜与器件的制备及电致变性
能研究[D]，哈尔滨工业大学,2018.
(下转第29页)
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品在环保、人居环境健康方面的要求。见表6。
表6JC/T872—2019新版本"表5重金属溶出限量”内容项目要求
铅/(mg/kg)W90
镉/(mg/kg)W75
^/(mg/kg)W60
汞/(mg/kg)W60
3.2.4修改了耐急冷急热性、莫氏硬度、耐化学腐
蚀性的试验方法
JC/T872—2019新版本中对耐急冷急热性、莫氏硬度和耐化学腐蚀性，根据产品自身特点制定了科学、可行的试验方法进行更新，提高检验数据的准确性。
4结语
“十三五”时期，微晶玻璃经历了前所未有的迅速发展阶段，从工艺技术、产品创新性和标准等方面都有了重大突破。但是我国微晶玻璃总体技术水平与其他材料(如陶瓷、玻璃、石材等)工业相比存在很大差距，与国外同类产品相比生产技术水平也存在一定差距，但是差距在逐渐缩小，主要差距表现为：生产过程自动化、机械化水平不高；生产过程能耗高、在线检测和过程控制技术相对落后；产品高新技术应用水平较低；成本高、市场面窄等。令人欣慰的是微晶玻璃发展至今，已经占据了各领域市场份额，标准体系已经得到很大程度完善，专利申请数量逐年增多，这些发展信息表明我国微晶玻璃正在以较快速度蓬勃发展，相信在“十三五”发展阶段推动的基础上，微晶玻璃将会在“十四五”取得更大进步，届时产品质量水平进一步提高，产品成本逐渐降低，应用领域市场进一步扩大，微晶玻璃整体发展会进入另一个较高水平的发展阶段。
参考文献
[1]程金树，李宏，汤李缨，等.微晶玻璃[M].北京：化学工业岀
版社,2006.
路况电台[2]徐笑阳，劳新斌.微晶玻璃技术全球专利情报分析[J].中国
陶瓷,2019,55(10):17-23.
:
3]楼贤春，程金树，郑伟宏，等.锂铝硅系统微晶玻璃热处理制度优化研究[J].玻璃,2005(03).
[4]骞少阳，智广林，范亚伟，等.国内微晶玻璃研究进展[A].
中国硅酸盐学会玻璃分会、宿迁市宿豫区人民政府.
2015年全国玻璃科学技术年会论文专集[C].中国硅酸盐
学会玻璃分会、宿迁市宿豫区人民政府：中国硅酸盐学
会,2015：5.
:5]桂濛濛，程金树，骞少阳，等.钙镁铝硅系浮法玻璃的渗锡与平衡厚度[J].硅酸盐通报,2016,35(02)：628-631+645.
[6]JC/T872—2019，建筑装饰用微晶玻璃[S].
[7]JC/T872—2000，建筑装饰用微晶玻璃[S].
(上接第24页)
[6]汤凯.三氧化鹤基复合纳米线阵列的设计合成与电致变
特性研究[D]，合肥工业大学,2019.
[7]AIEMPANAKIT M,KOSUM J,KAEWPHONG T.The influence
of post annealing on the structure and optical properties of vanadium oxide thin filmsfj].Materials Today:Proceedings, 2017,4(5):6015-6021.
[8]雍微•多彩Mo掺杂V2O5电致变薄膜的制备及其性能
研究[D]，中北大学,2016.
[9]刘鉴宁•溶胶凝胶-磁控溅射法制备V2O5离子储存层结构
与性能的研究[D]，天津工业大学,2020.[10]YANSHENG G,CHUANBIN W,QIANG S,et al.Micro
structure and properties of annealed IrO?thin films
prepared by pulsed laser deposition]」].Materials
Chemistry&Physics,2009,116(2-3):573-577. [11] A.S.Hassanien,Alaa A.Akl,Crystal imperfections and Mott
parameters of sprayed nanostructure Ir02thin filmsfj].
Physica B:Condersed Matter,2015,473:11-19.
[12]巫玮珊，梁小平，王科翔，等.TiO2对V2O5离子储存电极薄
膜性能的影响[J]，西安交通大学学报，2016,50(5)：
140-145.
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