Towards the optimization of a simple route for the fabrication of energy-efficient VO2-based smart coatings

Abstract

The present work reports on the optimization of a simple two-step procedure to achieve thermochromic vanadium dioxide coatings. The effect of the layer thickness, the total surface area exposed, as well as different parameters involved in a fast annealing process leads to the selective oxidation in air atmosphere of vanadium films sputtered at glancing angles. Outcomes resulting from structural and optical characterizations of annealed films with different layer thicknesses and porosities disclose two optimal pathways for the fast heating synthesis of high-performance VO2-based coatings with unique thermochromic features. A first one at 475 °C with reaction times ranging from 40 to 60 s, ideal for thicker films (∼100 nm), which implies reaching pseudo-equilibrium states with the formation of a VO2 + VO2+x phase mixture. A second one more adapted for thinner samples (∼25 nm), which involves obtaining VO2-refined products through instantaneous reactions at 500 °C. The unusual balance achieved for luminous transmittance (>60%) and solar modulation ability (∼5%) through the second route, coupled with a remarkable decrease in the metal-to-insulator transition temperature without the need of using doping (up to 15 °C below that of the pure bulk VO2, i.e., ∼68 °C), make these initially porous systems potentially applicable in energy efficient smart glazing or resistive switching while paving the way for further initiatives towards the simple and cost-effective manufacturing of VO2 thermochromic coatings at a large scale. © 2023 The Author(s)

El presente trabajo informa sobre la optimización de un procedimiento simple de dos pasos para lograr recubrimientos termocrómicos de dióxido de vanadio . El efecto del espesor de la capa, el área de superficie total expuesta, así como los diferentes parámetros involucrados en un proceso de recocido rápido conduce a la oxidación selectiva en atmósfera de aire de películas de vanadio pulverizadas en ángulos oblicuos. Los resultados resultantes de las caracterizaciones estructurales y ópticas de películas recocidas con diferentes espesores de capa y porosidades revelan dos vías óptimas para la síntesis por calentamiento rápido de VO 2de alto rendimientoRecubrimientos a base de policarbonato con características termocrómicas únicas. Una primera a 475 °C con tiempos de reacción entre 40 y 60 s, ideal para películas más gruesas (∼100 nm), lo que implica alcanzar estados de pseudo-equilibrio con la formación de una mezcla de fases VO 2 + VO 2+x . Una segunda más adaptada a muestras más delgadas (∼25 nm), que consiste en obtener productos refinados de VO 2 mediante reacciones instantáneas a 500 °C. El inusual equilibrio logrado entre la transmitancia luminosa (>60%) y la capacidad de modulación solar (∼5%) a través de la segunda vía, sumado a una notable disminución en la temperatura de transición metal-aislante sin necesidad de utilizar dopaje (hasta 15 °C por debajo del VO puro a granel2 , es decir, ∼68 °C), hacen que estos sistemas inicialmente porosos sean potencialmente aplicables en acristalamientos inteligentes eficientes energéticamente o conmutación resistiva, al mismo tiempo que allanan el camino para futuras iniciativas hacia la fabricación simple y rentable de recubrimientos termocrómicos de VO 2 a gran escala