Durable Thermochromic VO2 Films Deposited by HiPIMS

Le dioxyde de vanadium, VO2, est le matériau thermochromique le plus étudié. Il présente une transmission de la lumière infrarouge élevée à basse température et une extinction de cette dernière au-dessus de sa température critique. Ce changement de propriété est réversible et ne nécessite pas de stimulus externe. De ce fait, le VO2 est un candidat parfait pour les applications de contrôle de transfert d'énergie. L'application la plus directe est celle des vitrages dits ‘intelligents', où la couche mince thermochromique module la transmission du rayonnement solaire infrarouge en fonction de la température. Un tel dispositif contrôle la température du milieu ambiant passivement, limitant la consommation des équipements de chauffage et climatisation. Dans un objectif similaire, les matériaux thermochromiques peuvent aussi être utilisés pour créer des dissipateurs thermiques pour les satellites, appelés ‘Smart Radiative Device' (SRD). Cependant, les dispositifs thermochromiques à base de VO2 sont toujours à l'échelle du laboratoire, principalement à cause de la complexité de synthèse du VO2. Le Vanadium est en effet un métal de transition, possédant de multiple oxydes stoechiométriques dont seul le VO2 présente un intérêt pour ces applications. Un contrôle du niveau d'oxydation lors du dépôt est donc nécessaire, complexifiant l'industrialisation du procédé. De plus, la température de dépôt du matériau pour obtenir la phase cristalline, généralement 400°C, génère un cout prohibitif pour beaucoup d'industriels. Lors de la dernière décade, la communauté scientifique des dépôts physiques en phase vapeur a connu une forte effervescence autour d'une nouvelle technique, la pulvérisation magnétron pulsée de haute puissance (HiPIMS en anglais). Cette dernière combine la flexibilité des procédés de pulvérisation magnétron avec la modulation du temps d'impulsion pour obtenir un plasma de haute densité. Cette technologie est prometteuse pour le dépôt de couches minces. En particulier en mode réactif, le procédé HiPIMS offre un taux de dépôt avantageux comparé au procédé conventionnel de pulvérisations; tout en améliorant les propriétés des couches déposées, telles qu'une plus haute densité, une contrainte mécanique inférieure et un abaissement de la température nécessaire pour obtenir des couches minces cristallines. Les contributions des différents effets de la décharge HiPIMS (haut flux d'ions de basse énergie et le rayonnement du plasma) à la performance des couches ne sont pas encore expliquées, malgré une bonne connaissance du comportement de la décharge HiPIMS. De ce fait, nous avons choisi d'appliquer ce procédé au dépôt de couches minces de VO2 afin d'en améliorer les propriétés et illustrer les aventages du procédé HiPIMS pour le dépôt de ce type d'oxyde.

Abstract

Vanadium dioxide, VO2, is a well-known thermochromic material that exhibits high or low infrared transmittance when its temperature is below or above a critical temperature, respectively. Because this change in properties is reversible, VO2 has long been a candidate for radiative energy control devices. One innovative application is the smart window, in which a thermochromic layer controls the transmission of infrared radiation from the sun as a function of the surrounding temperature. This enables self-controlled temperature regulation, which in turn limits heating and cooling requirements. Similar devices called smart radiator devices (SRDs) are being developed for passive cooling of satellites. However, all these applications remain in the development phase due to VO2 deposition issues. Vanadium is a transition metal that exhibits multiple oxide stoichiometries, of which only VO2 is of interest. Precise control of the oxygen fraction is therefore needed for VO2 synthesis, accompanied by a high deposition temperature, usually around or in excess of 400 °C, in order to obtain the crystalline material. These imperatives currently limit industrial applications of VO2. Over the past decade, high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) has emerged as a newcomer in the magnetron sputtering community. Because HiPIMS combines the versatility of magnetron sputtering with short high power pulses to generate highly ionized plasma, it is a promising technique for thin film material deposition. In reactive sputtering, HiPIMS provides deposition rates similar to or higher than those for conventional sputtering, along with superior film properties such as higher density and lower stress, among others. Furthermore, crystalline films can be obtained at lower deposition temperature. However, the impacts of the high ion flux, plasma radiation, and HiPIMS dynamics on the metal-oxide properties are still unclear, despite a good understanding of the HiPIMS discharge. We therefore chose to apply HiPIMS to thermochromic VO2 to demonstrate the advantages of using HiPIMS to deposit crystalline films. First, the expansion of a reactive-HiPIMS discharge over a vanadium target was investigated using high-speed plasma imaging combined with optical bandpass filtering. The results showed that the reactive discharge operating in an argon–oxygen mixture behaved similarly in “pulse-on” time to discharges in pure argon and oxygen. However, in the post-discharge, the first microsecond after the cathode voltage was removed, strong light emission in the low-energy spectra was observed.