Chemical vapour deposition of vanadium oxide thermochromic thin films

Abstract

Thermochromic materials change optical properties, such as transmittance or reflectance, with a variation in temperature. An ideal intelligent (smart) material will allow solar radiation in through a window in cold conditions, but reflect that radiation in warmer conditions. The variation in the properties is often associated with a phase change, which takes place at a definite temperature, and is normally reversible. Such materials are usually applied to window glass as thin films. This thesis presents the work on the development of thermochromic vanadium (IV) oxide (VO2) thin films – both undoped and doped with tungsten, niobium and gold nanoparticles – which could be employed as solar control coatings. The films were deposited using Chemical Vapour Deposition (CVD), using improved Atmospheric Pressure (APCVD), novel Aerosol Assisted (AACVD) and novel hybrid AP/AACVD techniques. The effects of dopants on the metalto- semiconductor transition temperature and transmittance/reflectance characteristics were also investigated. This work significantly increased the understanding of the mechanisms behind thermochromic behaviour, and resulted in thermochromic materials based on VO2 with greatly improved properties.

Os materiais termocrómicos exibem alterações das suas propriedades ópticas, tais como a transmitância ou a reflectância, com a variação da temperatura. Um material inteligente ideal permite a passagem da radiação solar através uma janela quando está frio, mas reflecte a mesma radiação quando está calor. A variação destas propriedades é frequentemente associada a uma transição de fase, a qual ocorre a uma temperatura definida e que, normalmente, é reversível. Estes materiais são geralmente utilizados como filmes finos em vidros de janelas. Nesta tese apresenta-se o desenvolvimento de filmes finos de óxido de vanâdio (IV) (VO2) termocrómicos – não dopados e dopados com tungsténio, nióbio e nanopartículas de ouro – que podem ser utilizados como revestimentos para o controle da passagem da radiação solar. Os filmes foram processados recorrendo à deposição química em fase vapor (CVD), com a técnica “atmospheric pressure” (APCVD) melhorada, e as novas tecnicas “aerosol assisted” (AACVD) e híbrida (AP/AACVD). Foram também estudados os efeitos dos dopantes na temperatura de transição metal – semiconductor, e na transmitância e reflectância dos filmes. O desenvolvimento de materiais termocrómicos baseados em VO2 com propriedades optimizadas aumentou significativamente a compreensão dos mecanismos associados ao comportamento termocrómico.