Như đã trình bày trong chuyển pha BDKL chiết suất của VO2 giảm do cấu trúc tinh thể thay đổi từ mạng đơn tà sang mạng tứ giác làm cho độ phản xạ tăng (độ truyền qua giảm), nhất là trong vùng hồng ngoại. Tính chất này
Nhiệt độ (oC)
R
(k
Ω
rất có ý nghĩa ứng dụng thực tiễn bởi vì trong tổng năng lượng của bức xạ mặt trời chiếu trên mặt đất thì bức xạ vùng hồng ngoại chiếm tới trên 50%.
Độ truyền qua giảm phản ánh độ phản xạ tăng (vì độ hấp thụ của màng VO2 trong chuyển pha hầu như bằng không). Với tính chất phản xạ cao trong vùng hồng ngoại, màng VO2 ở nhiệt độ cao đã thể hiện rõ đặc trưng của pha kim loại. Khi giảm dần nhiệt độ của mẫu về NĐP, quá trình xảy ra ngược lại. Như vậy, có thể nhận thấy màng VO2 còn có tính chất biến điệu nhiệt - quang thuận nghịch.
Như đã biết, bức xạ mặt trời là tập hợp lớn các photon với những dải năng lượng khác nhau. Tuy nhiên, dải sóng từ 300 nm đến 700 nm là vùng bức xạ nhìn thấy (ánh sáng), trên 700 nm là bức xạ hồng ngoại gần có cường độ lớn nên gọi là “bức xạ nóng”. Hiệu ứng nhiệt sắc của màng VO2 được khảo sát trong vùng bước song từ 300 nm đến 1800 nm (Hình 3.9)
Hình 3.9
Phổ truyền qua tại nhiệt độ 30 oC (< τc) và 100 oC (> τc) của màng VO2 chế tạo bằng phương pháp phun áp suất và ủ nhiệt tại 450oC, trong 1/2 giờ.
Từ phổ truyền qua phụ thuộc nhiệt độ trên Hình 3.9 nhận thấy: Đối với mẫu (màng VO2) hiệu ứng nhiệt sắc xảy ra rất rõ ràng, nhất là ở vùng hồng
Bước sóng (nm) Đ ộ tr uy ền q ua ( % )
ngoại gần. Ở vùng khả kiến, độ truyền qua của mẫu đốt nóng (T100 > τc) lớn hơn so với mẫu nguội (T30 < τc). Ngược lại, ở vùng hồng ngoại, từ 1100 nm đến 1800 nm, khi T > τc, độ truyền qua giảm mạnh, thí dụ tại bước sóng λ = 1800 nm độ truyền qua giảm từ 62 % xuống còn 28%. Khi làm nguội mẫu xuống dưới τc phổ truyền qua được lặp lại hoàn toàn trùng với phổ ban đầu. Như vậy, hiệu ứng nhiệt sắc mang tính thuận nghịch. Khi màng VO2 được đốt nóng lên nhiệt độ cao hơn NĐCP độ truyền qua giảm đáng kể, có nghĩa là độ phản xạ vùng hồng ngoại đã tăng lên. Điều này chứng tỏ bức xạ vùng hồng ngoại (bức xạ nóng) trong phổ bức xạ mặt trời đã được “cản” phần lớn bởi lớp phủ màng VO2. Nói cách khác, bức xạ hồng ngoại đã không xuyên qua kính được phủ lớp màng này. Trên Hình 3.10 là sơ đồ ứng dụng hiệu ứng nhiệt sắc (kính phản quang) tại các tòa nhà kính cao tầng.
Hình 3.10. Sơ đồ mô tả ứng dụng kính phủ lớp VO2
Nếu các tấm cửa sổ của các tòa nhà cao tầng được phủ lớp màng VO2 (như trên hình 3.10) thì vào những ngày mùa hè trong phòng nhiệt độ sẽ không bị nâng cao (do bức xạ nóng bị cản lại) như trong các phòng không sử dụng tấm kính phủ VO2. Vì thế điện năng cung cấp cho điều hòa hay quạt điện sẽ được giảm thiểu. Lớp phủ VO2 lên kính còn được gọi là lớp phản xạ nhiệt, các cửa sổ phủ lớp VO2 được gọi là cửa sổ nhiệt sắc thông minh.
Phía ngoài: Bức xạ nóng (hồng ngoại) Ánh sáng Tia UV Bên trong
KẾT LUẬN
Bằng phương pháp phun áp suất từ dung dịch muối VOCl2, trong môi trường không khí dưới điều kiện áp suất khí quyển thông thường, chúng tôi đã tiến hành chế tạo màng mỏng VO2, qua đó so sánh cấu trúc tinh thể và hiệu ứng nhiệt sắc của chúng. Màng phun được ủ nhiệt có chiều dày ~ 430 nm. Từ các kết quả phân tích cấu trúc (XRD), hình thái học (FE-SEM), đo điện trở suất và phổ quang học (T%), nhận thấy màng phun kết hợp ủ nhiệt được kết tinh cho chúng ta chất lượng tăng lên, tuy chưa đơn pha nhưng đã giàu VO2.
Nhiệt độ chuyển pha BD-KL của màng VO2 được xác định chính xác thông qua hai phép đo điện trở suất và độ truyền qua phụ thuộc nhiệt độ. Trong phép đo điện nhận thấy, tại nhiệt độ ~ 67 0C độ dẫn của màng tăng đột ngột (hay điện trở suất giảm) ứng với tỷ số điện trở suất (tức ρ(BD)/ ρ(KL) gần 2 bậc.
Đã nhận được độ phản xạ cao trong vùng bức xạ hồng ngoại, với tính chất này màng nhiệt sắc VO2 có thể ứng dụng làm lớp phủ cho kính phản nhiệt điều tiết năng lượng mặt trời truyền qua cửa kính (cửa sổ nhiệt sắc thông minh).
Việc nghiên cứu sự hình hành cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và tính chất quang của màng mỏng VO2 chế tạo bằng phương pháp phun áp suất, trong môi trường không khí, dưới điều kiện áp suất khí quyển thông thường cho phép hướng tới chế tạo cửa sổ thông minh với diện tích tùy ý. Kết quả mang lại giá trị cả về mặt khoa học và thực tiễn.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Năng Định (1996),“Hiệu ứng nhiệt sắc và công nghệ kính phản xạ nhiệt“, Tuyển tập các công trình Hội nghị Khoa học Trường Đại học Bách khoa Hà nội nhân dịp 40 năm thành lập trường.
2. Nguyễn Năng Định, Đỗ Hồng Thanh, Phạm Duy Long, Vũ Thị Bích và Phan văn Ánh(1998), " Nghiên cứu chuyển pha bán dẫn-kim loại của màng mỏng VO2 chế tạo bằng chùm tia điện tử", Tạp chí khoa học Đại học quốc
gia Hà Nội, tr 165-168.
3. Nguyễn Năng Định, Đỗ Hồng Thanh, Vũ Thị Bích, Phạm Gia Ngữ, và Phan Văn Ánh(1998), " Tổng hợp oxit vanađi và chế tạo màng mỏng penta- và đioxit vana đi", Hóa học vì sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất
nước, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Hóa học toàn quốc, Hà nội 10/1998,
tr.597-600.
4. Nguyễn Thị Hải,“Chế tạo màng mỏng ZnO, ZnO: Al bằng phương pháp phun áp suất và nghiên cứu tính nhạy khí của chúng”, Luận văn Thạc sĩ khoa học vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà nội.
5. Lê Văn Hiếu, Trần Tuấn, Nguyễn Hiếu Hải, Trần Quang Hiền, " Cấu trúc và tính chất điện sắc của màng mỏng vanadium pentoxide được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron dc ở nhiệt độ phòng" tạp chí phát
triển khoa học và công nghệ, T 14, S4 (2011).
6. Đỗ Hồng Thanh, Phan Văn Ánh, Phạm Gia Ngữ và Nguyễn Năng Định (1997), " Nghiên cứu chuyển tiếp bán dẫn-kim loại trong màng mỏng ôxit vana đi chế tạo bằng phương pháp phun điện", Những vấn đề hiện đại của vật lý chất rắn, Tuyển tập các công trình hội nghị Khoa học Đồ sơn- Hải
7. Đỗ Hồng Thanh, Phan văn Ánh, Nguyễn Văn Hùng, Phạm Gia Ngữ và Nguyễn Năng Định(1998), "Một số tính chất của màng mỏng penta ôxit vanađi chế tạo bằng phương pháp phun điện", Tuyển tập các công trình Hội nghị Khoa học
ngành vật lý, Trường Đại học sư phạm Hà Nội 11/1998, tr.105-108.
8. Đỗ Hồng Thanh, Nguyễn Văn Hùng, Đinh Mạnh Hùng, Phan Văn Ánh và Nguyễn Năng Định (2001), “Chế tạo màng mỏng V2O5 và khảo sát tính chất chuyển mạch của chúng”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý chất rắn
toàn quốc lần thứ III, Nha trang 8/2011.
9. Đỗ Hồng Thanh, Công nghệ chế tạo và nghiên cứu tính chất của màng
mỏng ôxyt vanađi, luận án tiến sĩ vật lý, Hà nội 2003.
10. Do Hong Thanh, Pham Duy Long, Phan Van Anh and Nguyen Nang Dinh (1999), "Characterization of VO2 and V2O5 thin film made by electron beam deposition and high dc- voltage spraying", pro. of the third Intenational Workshop on Materials Sciene (I WOMS' 99), Ha noi,
November 2-4 1999, pp.427-430.
11. Aetukur, N.B.; Gray, A.X.; Drouard, M.; Cossale, M.; Gao, L.; Reid, A.H.; Kukreja, R.; Ohldag, H.; Jekins, C.A.; Arenholz, E.; et al. Control of
the metal-insulator transition in vanadium dioxide by modifying orbital
occupancy. Nat. Phys. 2013, 9, 661–666.
12. Cao, J.; Ertekin, E.; Srivasan, V.; Fan, W.; Huang, S.; Zheng, H.; Yim, J.W.L.; Khanal, D.R.; Ogletree, D.F.; Grosman, J.C.; et al. Strain engineering and one-dimensional organization of metal–insulator domains in single-crystal vanadium dioxide beams. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 732–737.
13. Cao, J.; Wu, J. Strain effect in low-dimensional transition metal oxides. Mat. Sci. Eng. 2011, R71, 35–52. 5. Nakano, N.; Shybaya, S.; Okuyama, D.; Hatano, T.; Ono, S.; Kawasaki, M.; Iwasa, Y.; Tokura, Y. Collective bulk carrier delocalization driven by electrostatic surface charge
14. Duplan Carole Alfred, Masso Jean, Gavarri Jean-Raymond and Cesari Claude (1994), ''Variable electrical properties in composites: Application to vanadium dioxide pigments in a polyethylene host'', Journal of Solid
state Chemistry 110, pp. 6-14.
15. D. Yoon, Y.-W. Son and H. Cheong, Nano letters, 2011, 11, 3227-3231.
16. Marcelli, A. Phase Separations in Highly Correlated Materials. Acta Phys.
Polonica A 2016, 129,264–269
17. M. C. Rao, K. R. Rao (2014), "Themal Evaporated V2O5 thin films: Thermodynamic Properties", Int. J. Chem Tech Res, 2014-S, 6 (7), pp 3931-3934.
18. M. J Powell, R Quesada-Cabrera, A Taylo (2016), " Intelligent Multifunctional VO2/SiO2/TiO2 Coatings for Self- Cleaning, Energy
19. Geenrt Rampelberg, Bob De Schtter, Woulder, Koen Martens, Luliana Radu and Christophe Detavernier (2015), "In situ X-ray diffraction study of the controlled oxidation and redution in the V-O system for the synthesis of VO2 and V2O3 thin films", J. Matter. Chem. C, 2015, 3, pp 11357-11365. 20. H. Yang, J. Heo, S. Park, H. J. Song, D. H. Seo, K.-E. Byun, P. Kim, I.
Yoo, H.-J. Chung and K. Kim, Science, 2012, 336, 1140-1143.
21. Parker John C., Gelser Urs W., Lam Daniel J., Xu Yongnian and Ching Wai Yim (1990), ''Optical properties of the Vanadium Oxide VO2 and V2O5
'', J. Am. Ceram. Soc. 73 (11) pp.3206-3208.
22.W. He, H.-K. Kim, W. G. Wamer, D. Melka, J. H. Callahan and J.-J. Yin, Journal of the American Chemical Society, 2013, 136, 750-757.
23. Yoon, H.; Choi, M.; Lim, T.; Kwon, H.; Ihm, K.; Kim, J.K.; Choi, S.; Son, J. Reversible phase modulation and hydrogen storage in multivalent VO2 epitaxial thin films. Nat. Mater. 2016, 15, 1113–1119.