Thermochromic VO2 Thin Films Deposited by Magnetron Sputtering for Smart Window Applications

Les fenêtres dites “intelligentes" sont un parfait exemple d'innovation technologique permettant de réduire notre dépendance énergétique ainsi que notre impact sur l'environnement tout en gagnant sur le plan économique. Dans cet éventail de possibilités que nous réserve la fenestration du futur existe bien entendu les fenêtres thermochromiques. Par l'usage de dioxyde de vanadium (VO2), un composé thermochromique, et ce, sous forme de revêtement, il serait possible de contrôler la transmission des infrarouges (chaleur) du soleil en fonction de la température environnante. En d'autres mots, son comportement optique permettrait une gestion plus efficace des échanges de chaleur entre un lieu habitable et l'environnement extérieur. Cependant, ce type de fenêtre est toujours en stade de développement. Tout d'abord, le dépôt de l'oxyde n'est pas de nature simple. Se basant sur une technique de dépôt conventionnelle nommée pulvérisation magnétron principalement utilisée au sein de l'industrie de la fenestration, plusieurs facteurs tels que la concentration d'oxygène et la température du substrat lors du dépôt peuvent venir affecter le comportement thermochromique du revêtement, et ce, par changement de sa composition et de sa cristallinité. D'autres paramètres de contrôle tels que le taux de dépôt, la pression dans la chambre de pulvérisation et le choix du substrat peuvent également modifier la microstructure du revêtement, jouant ainsi sur ses propriétés optiques et électriques. D'un autre côté, plusieurs problèmes persistent autant quant à son application commerciale. Pour commencer, la transition structurelle du matériau, reliée notamment au changement de ses propriétés optiques, ne se produit qu'aux alentours de 68C. Ensuite, sa faible transparence et sa couleur verdâtre naturelle ne sont pas attrayantes visuellement. Puis, à ce jour, la température de dépôt nécessaire pour cristalliser l'oxyde et la rendre thermochromique reste un frein pour une éventuelle application à grande échelle. Au final, malgré que son changement en température ait été démontré avantageux dans des situations de climats variables, les solutions correctives existantes engendrent une détérioration du comportement thermochromique. Sans aucune expertise pratique sur ce matériau, le présent projet a été entrepris avec en tête certains objectifs. En premier lieu, il se fallait de trouver une première récette à l'obtention de nos premiers échantillons du matériau. En se basant sur la littérature comme point de départ, plusieurs échantillons ont été déposés par pulvérisation magnétron tout en améliorant certaines conditions de dépôt ainsi qu'en variant les paramètres de dépôt influents.

Abstract

“Smart" windows are a perfect innovative example of technology that reduces our energy dependence and our impact on the environment while saving on the economical point of view. In the range of possibilities that the fenestration of the future may reserve, there exist thermochromic windows. With the use of vanadium dioxide (VO2), a thermochromic compound, and this, as a thin coating, it would in fact be possible to control the sun's transmission of infrared light (heat) as a function of the surrounding environment temperature. In other words, its optical behavior would allow a more effective management of heat exchanges between a living venue and the outdoor environment. However, this type of window is still in a developmental stage. First, the oxide's deposition is not simple in nature. Based on a conventional deposition technique called magnetron sputtering mainly used in the fenestration industry, several factors such as the oxygen concentration and the substrate temperature during deposition can affect the coating's thermochromic behavior, and this, by changing its composition and crystallinity. Other control parameters such as the deposition rate, the pressure in the sputtering chamber and the choice of substrate may also modify the film microstructure, thereby varying its optical and electrical properties. In addition, several issues still persist as to its commercial application. For starters, the material's structural transition, related to the change of its optical properties, only occurs around 68C. In addition, its low transparency and natural greenish colour are not visually appealing. Then, to this day, the deposition temperature required to crystallize and form the thermochromic oxide remains an obstacle for a possible large-scale application. Ultimately, although the material's change in temperature has been shown to be advantageous in situations of varying climate, the existing corrective solutions to these issues generate a deterioration of the thermochromic behavior. With no practical expertise on the material, this project was undertaken with certain objectives in mind. To start, we had to find a first recipe to obtain our first samples of the material. Using the literature as a starting point, several samples were deposited by magnetron sputtering while improving certain deposition conditions as well as varying influential deposition parameters. Once the oxide obtained, it was necessary to optimize the parameters not only to render thermochromic coatings with the highest possible quality, but also to determine each parameter's sensitivity.