用于辐射冷却应用的直流溅射ITO/VO2/MgO多层膜的发射和过渡特性：MgO沉积温度的影响

《Scientific African》：Emission and Transition properties of DC sputtered ITO/VO2/MgO multilayered films for radiative cooling application: Influence of MgO deposition temperature

本研究通过沉积温度调控MgO层，探究IT/O?/MgO多层薄膜的适应性辐射冷却性能。实验表明，200℃沉积的MgO层薄膜红外发射率达94%，且具有更优的相变温度响应（τc=47℃）和更窄的滞回宽度（2.9℃），其XRD和RBS分析证实了晶体结构和元素组成。研究为可持续水分收集技术中的多功能涂层开发提供了理论依据。

　　随着全球对水资源需求的不断增长，辐射冷却技术作为一种被动的水收集策略，逐渐受到关注。这种技术通过利用红外辐射向寒冷天空的自然发射，使设计用于辐射冷却的表面达到低于环境温度的水平，甚至低于露点温度，从而促进大气中水蒸气的凝结。本研究探讨了ITO/VO?/MgO多层薄膜在适应性水收集中的潜力，重点分析了MgO沉积温度（200–350°C）对薄膜发射和转变特性的影响。该结构的设计旨在利用ITO的高透明性以减少太阳能吸收，MgO作为有效的热发射体，因其在中红外波段的高发射率而具有优势，而VO?则提供了温度响应的调节能力。

辐射冷却材料（RCMs）通过选择性热发射，能够将热量通过红外辐射释放到冷的宇宙环境中（约3K），从而实现被动的热调节。在地球大气中，大部分红外波长都会被水分子、氮气、氧气、臭氧和二氧化碳等分子吸收、发射、反射和散射，导致这些波长的穿透性较低。然而，在8–13微米的“大气窗口”范围内，大气对红外辐射的透过性较高，因此这一波段成为实现高效冷却的关键。为了在这一窗口范围内实现高效的辐射冷却，材料需要在这一波段具有高发射率，同时在太阳光谱范围内保持较低的吸收率，以防止外部热能的积累。

在早期的辐射冷却研究中，主要关注于开发具有高热发射率的材料，以便在大气窗口内实现高效的热散失。这些材料包括聚合物薄膜、着色涂料、无机涂层以及气体层等。其中，硅基材料如SiO、SiO?、SiC和Si?N?因其在大气窗口内的选择性发射特性而被广泛研究，能够实现高达14°C的被动冷却效果。近年来，研究方向逐渐转向同时优化发射率和反射率，以提高材料在阳光下的性能。例如，结合反射性金属基底（如铝或银）和利用光子极化子共振的材料，可以有效增强中红外波段的发射能力，同时减少太阳光的吸收。此外，纳米粒子掺杂的聚合物、光子超材料和多层光子晶体等新型材料也被引入，以实现更高效的热管理。这些技术已实现高达125 W·m?2的冷却功率，并在白天实现4.9°C的冷却效果。

尽管这些设计在某些应用场景中表现出色，但它们仍然存在一些固有的缺点。例如，依赖于反射金属层的材料容易受到氧化的影响，这会降低反射率并影响整体的辐射冷却性能。此外，一些系统设计需要保持恒定的高发射率和传统不透明涂层，这在需要透明度和温度控制的应用中可能受到限制。因此，近年来，研究者开始关注开发具有视觉透明性的辐射冷却策略，通过多层薄膜堆叠结构，实现高红外发射率与可见光透明性的结合。这一趋势使得材料的应用范围得以扩展，包括智能窗户和水收集系统等。

在这一背景下，本研究提出了一种三层层结构——ITO/VO?/MgO薄膜，旨在实现透明性、适应性和耐久性的平衡。其中，ITO因其在可见光谱范围内的高透明性和低吸收性，被选为基底材料，能够防止寄生加热，同时反射中远红外辐射（>2.5微米）。VO?则因其温度响应特性，能够在特定温度下实现发射率的动态调节，从而实现自适应的热管理。MgO则因其在中红外波段的高发射率，有助于在大气窗口内实现高效的热散失。通过合理设计这三种材料的组合，研究者希望开发出一种多功能的涂层，能够满足水收集系统的实际需求。

为了评估这些多层薄膜的性能，本研究采用了多种实验方法，包括X射线衍射（XRD）、卢瑟福背散射光谱（RBS）和光学测量。XRD分析用于确定薄膜的晶相、元素组成和结构特性。结果显示，随着MgO沉积温度的升高，MgO薄膜的结晶度逐渐增强，其发射率也有所变化。在200°C的沉积温度下，MgO薄膜的发射率达到最高，为94%。这表明，沉积温度的优化对薄膜的发射性能具有重要影响。然而，随着沉积温度的升高，发射率反而下降，这可能是由于MgO薄膜的致密化和晶格结构的改善，导致其对中红外辐射的反射增强，从而抑制了发射。同时，XRD数据还显示，当沉积温度升高至300°C和350°C时，出现了与V?O?相关的峰，这可能与VO?层在高温下暴露于氧气环境有关，导致部分氧化或不稳定。

RBS分析用于确定薄膜的元素组成。结果显示，所有检测到的元素均来自样品，除了硅元素，其来源于基底。此外，Sn和In的高计数可能与ITO层的厚度有关，而Mg的低计数则可能是由于与背景光谱的重叠。这些数据进一步验证了多层薄膜的结构和组成。

在光学性能方面，研究发现这些多层薄膜在大气窗口（8–13微米）范围内表现出选择性发射特性。尽管在中红外波段的反射率较低，但这一特性可能对实现高效的辐射冷却有益。然而，与传统材料（如SiO/Al和Si?N?/Al）相比，这些薄膜在大气窗口内的反射率略高，这可能影响其发射性能。此外，薄膜在不同沉积温度下的发射率变化显著，从89%到94%不等，其中在200°C沉积温度下的发射率最高。这一结果表明，MgO沉积温度对薄膜的发射特性具有重要影响。

在热转变特性方面，研究者通过测量透射率滞回曲线，分析了薄膜的热响应性能。结果显示，所有多层薄膜的热转变温度均低于单层VO?薄膜的62°C。例如，在200°C沉积温度下的薄膜，其热转变温度为47°C，且滞回宽度为2.9°C，远低于单层VO?薄膜的8°C。这表明，多层结构能够显著提高薄膜的热响应速度和稳定性，使其在动态环境下的应用更具优势。然而，随着沉积温度的升高，热转变温度反而有所增加，这可能是由于高温下MgO层的致密化和晶格结构的改善，导致其对VO?层的热影响增加。

进一步分析表明，这种热转变温度的变化可能与VO?层的晶体结构和界面相互作用有关。在高温沉积过程中，MgO层的高能轰击可能导致VO?层的晶格损伤，从而影响其相变行为。此外，XRD分析显示，在300°C和350°C沉积温度下，VO?层中出现了V?O?相，这可能是由于VO?在高温下与氧气发生反应，导致部分氧化。这些非开关相的存在可能会影响薄膜的光学性能，从而延迟其相变行为。

本研究的结果表明，ITO/VO?/MgO多层薄膜在辐射冷却和水收集系统中具有显著的应用潜力。通过优化MgO沉积温度，可以实现发射率和热响应性能的平衡，从而提高整体的冷却效率。此外，研究还指出，未来的优化方向可能包括对多层结构的进一步改进，以及引入掺杂策略，以增强材料的性能和稳定性。这些研究为开发新型的多功能涂层提供了重要的理论和实验依据，有助于推动可持续水收集技术的发展。