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

Jean-Philippe Fortier

Master's thesis (2014)

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Abstract

“Smart" windows are a perfect innovative example of technology that reduces our energydependence 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 thermochromicwindows. 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 transmissionof infrared light (heat) as a function of the surrounding environment temperature. In otherwords, its optical behavior would allow a more effective management of heat exchanges betweena living venue and the outdoor environment. However, this type of window is still ina developmental stage. First, the oxide's deposition is not simple in nature. Based on a conventionaldeposition technique called magnetron sputtering mainly used in the fenestrationindustry, several factors such as the oxygen concentration and the substrate temperatureduring deposition can affect the coating's thermochromic behavior, and this, by changingits composition and crystallinity. Other control parameters such as the deposition rate, thepressure 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 issuesstill 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 lowtransparency and natural greenish colour are not visually appealing. Then, to this day, thedeposition temperature required to crystallize and form the thermochromic oxide remains anobstacle for a possible large-scale application. Ultimately, although the material's change intemperature has been shown to be advantageous in situations of varying climate, the existingcorrective solutions to these issues generate a deterioration of the thermochromic behavior.With no practical expertise on the material, this project was undertaken with certainobjectives in mind. To start, we had to find a first recipe to obtain our first samples of thematerial. Using the literature as a starting point, several samples were deposited by magnetronsputtering while improving certain deposition conditions as well as varying influentialdeposition parameters. Once the oxide obtained, it was necessary to optimize the parametersnot only to render thermochromic coatings with the highest possible quality, but alsoto determine each parameter's sensitivity.

Résumé

Les fenêtres dites “intelligentes" sont un parfait exemple d'innovation technologique permettantde réduire notre dépendance énergétique ainsi que notre impact sur l'environnementtout en gagnant sur le plan économique. Dans cet éventail de possibilités que nous réservela fenestration du futur existe bien entendu les fenêtres thermochromiques. Par l'usage dedioxyde 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 dela température environnante. En d'autres mots, son comportement optique permettrait unegestion 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 conventionnellenommée pulvérisation magnétron principalement utilisée au sein de l'industrie dela fenestration, plusieurs facteurs tels que la concentration d'oxygène et la température dusubstrat lors du dépôt peuvent venir affecter le comportement thermochromique du revêtement,et ce, par changement de sa composition et de sa cristallinité. D'autres paramètresde contrôle tels que le taux de dépôt, la pression dans la chambre de pulvérisation et lechoix du substrat peuvent également modifier la microstructure du revêtement, jouant ainsisur ses propriétés optiques et électriques. D'un autre côté, plusieurs problèmes persistentautant quant à son application commerciale. Pour commencer, la transition structurelle dumatériau, reliée notamment au changement de ses propriétés optiques, ne se produit qu'auxalentours de 68C. Ensuite, sa faible transparence et sa couleur verdâtre naturelle ne sont pasattrayantes visuellement. Puis, à ce jour, la température de dépôt nécessaire pour cristalliserl'oxyde et la rendre thermochromique reste un frein pour une éventuelle application à grandeéchelle. Au final, malgré que son changement en température ait été démontré avantageuxdans des situations de climats variables, les solutions correctives existantes engendrent unedétérioration du comportement thermochromique.Sans aucune expertise pratique sur ce matériau, le présent projet a été entrepris avecen tête certains objectifs. En premier lieu, il se fallait de trouver une première récette àl'obtention de nos premiers échantillons du matériau. En se basant sur la littérature commepoint de départ, plusieurs échantillons ont été déposés par pulvérisation magnétron tout enaméliorant certaines conditions de dépôt ainsi qu'en variant les paramètres de dépôt influents.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Ludvik Martinu, Jolanta-Ewa Sapieha
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1415/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 24 Jul 2014 10:10
Last Modified: 07 Nov 2022 13:34
Cite in APA 7: Fortier, J.-P. (2014). Thermochromic VO2 Thin Films Deposited by Magnetron Sputtering for Smart Window Applications [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/1415/

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