Μελέτη θερμοχρωμικών υλικών χαμηλής θερμοκρασίας ανάπτυξης, με βάση το διοξείδιο του βαναδίου (VO2)
Authors: Γκαγκαουδάκης Εμμανουήλ 
Published: September 2021

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη θερμοχρωμικών υλικών χαμηλής θερμοκρασίας ανάπτυξης, με βάση το διοξείδιο του Βαναδίου (VO2). Το συγκεκριμένο οξείδιο (VO2) είναι το μόνο από τα πολλά άλλα του ίδιου μετάλλου, όπως V2O5, V6O13 και άλλα, το οποίο εμφανίζει το φαινόμενο της αλλαγής φάσης και διαπερατότητας σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία (θερμοχρωμικότητα) σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, γεγονός που το καθιστά ιδιαίτερα ενδιαφέρον για εφαρμογές σε «έξυπνα» παράθυρα και προστατευτικά επιστρώματα κελύφους κτιρίων. Η ανάπτυξη των θερμοχρωμικών υλικών έγινε τόσο με την τεχνική rf sputtering, οπού το υλικό ελήφθη απευθείας σε μορφή υμενίου, όσο και με τη μέθοδο της υδροθερμικής σύνθεσης, όπου το υλικό ελήφθη αρχικά με τη μορφή σκόνης και εν συνεχεία με κατάλληλη διαδικασία μετατράπηκε σε υμένιο. Χρησιμοποιώντας την τεχνική rf sputtering αναπτύχθηκαν με επιτυχία θερμοχρωμικά υμένια VO2, τόσο καθαρού όσο και με προσμίξεις Mg, σε θερμοκρασία 300 oC, η οποία είναι μία από τις χαμηλότερες που έχουν αναφερθεί για την συγκεκριμένη τεχνική χωρίς περαιτέρω θερμική ανόπτηση. Τα υποστρώματα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν διάφοροι τύποι γυαλιού καθώς και Πυρίτιο (Si). Ειδικότερα χρησιμοποιήθηκαν τα Pilkington K-Glass (Low-e εμπορικό γυαλί παραθύρου με επίστρωση SnO2) και Float Glass (εμπορικό γυαλί παραθύρου), το γυαλί Fused Silica, ενώ για πρώτη φορά έγινε ανάπτυξη θερμοχρωμικού VO2 σε εύκαμπτο γυαλί Corning© Willow© Flexible Glass. Στα υμένια που αναπτύχθηκαν πάνω σε υπόστρωμα K-Glass έγινε μελέτη της εξάρτησης των θερμοχρωμικών/οπτικών ιδιοτήτων τους τόσο από το πάχος όσο και από το ποσοστό του Οξυγόνου στο αέριο μίγμα Αργού-Οξυγόνου του πλάσματος. Σε αντίθεση με το υπόστρωμα K-Glass, όπου όλα τα υμένια ανεξαρτήτου πάχους εμφάνισαν θερμοχρωμικότητα, στο υπόστρωμα Float Glass εμφάνισε θερμοχρωμικότητα μόνο το λεπτότερο υμένιο (πάχους μικρότερου των 50 nm), ενώ τα υπόλοιπα εμφάνισαν θερμοχρωμικότητα μόνο μετά από θερμικήανόπτηση σε αναγωγικό περιβάλλον. Υπό κατάλληλες συνθήκες εναπόθεσης, επιτεύχθηκε για πρώτη φορά ανάπτυξη θερμοχρωμικού VO2 σε εύκαμπτο γυαλί πάχους 0.2 mm, ενώ με τις ίδιες συνθήκες εναπόθεσης αναπτύχθηκαν θερμοχρωμικά υμένια VO2 πάνω σε υπόστρωμα γυαλιού Fused Silica. Τέλος, για την ενίσχυση της διαπερατότητας των θερμοχρωμικών υμενίων VO2 στο ορατή ακτινοβολία εξετάστηκαν δύο μέθοδοι, η ανάπτυξη αντιανακλαστικής επίστρωσης ZnO, όπου έγινε βελτιστοποίηση του πάχους της για σταθερό πάχος υμενίου VO2 και η εισαγωγή προσμίξεων ατόμων Mg κατά την οποία προσδιορίστηκε η ποσότητα των προσμίξεων που προκαλεί τη μέγιστη δυνατή ενίσχυση της ορατής διαπερατότητας χωρίς αλλοίωση των θερμοχρωμικών χαρακτηριστικών.Η υδροθερμική σύνθεση χρησιμοποιήθηκε ως εναλλακτική μέθοδος ανάπτυξης του θερμοχρωμικού VO2. Πρόκειται για μία οικονομική και εύχρηστη τεχνική κατά την οποία το υλικό λαμβάνεται υπό μορφή σκόνης και εν συνεχεία με κατάλληλη διαδικασία σε χαμηλή θερμοκρασία (< 100 oC) μετατρέπεται σε υμένιο. Το τελευταίο αποτελεί το μεγάλο πλεονέκτημα της υδροθερμικής τεχνικής, έναντι όλων των υπολοίπων τεχνικών που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες εναπόθεσης (> 300 oC), γεγονός αποτρεπτικό για την ανάπτυξη θερμοχρωμικών υμενίων σε πλαστικά, εύκαμπτα και διαφανή υποστρώματα. Στην παρούσα εργασία, διερευνήθηκε η επίδραση των παραμέτρων της υδροθερμικής σύνθεσης όπως η συγκέντρωση της πρόδρομης πηγής Βαναδίου (V2O5), η γραμμομοριακή αναλογία μεταξύ πηγής Βαναδίου και αναγωγικού μέσου (Οξαλικού οξέος), το pH του υδατικού διαλύματος V2O5-Οξαλικού οξέος, καθώς και η προσθήκη ουσιών και συγκεκριμένα Θειουρίας (SC(NH2)2) στα θερμοχρωμικά χαρακτηριστικά του VO2. Για την μετατροπή της σκόνης σε υμένια χρησιμοποιήθηκαν δύο τεχνικές. Στη μία εξ αυτών, έγινε ανάμειξη της σκόνης με κατάλληλο διαλύτη προς σχηματισμό διαφανούς θερμοχρωμικού υμενίου πάνω σε υπόστρωμα γυαλιού ή πλαστικού (PET). Σε αντιδιαστολή με αυτήν, στη δεύτερη τεχνική η ανάπτυξη του θερμοχρωμικού υμενίου έγινε σε υπόστρωμα K-Glass κατά την διάρκεια της υδροθερμικής αντίδρασης. Το αποτέλεσμα και για τις δύο μεθόδους ήταν η επιτυχής ανάπτυξη θερμοχρωμικού υμενίου σε διάφορα υποστρώματα, σε χαμηλή θερμοκρασία.Τέλος, προκειμένου να ελεγχθεί η πρακτική λειτουργικότητα των θερμοχρωμικών υμενίων όσον αφορά εφαρμογές στη μείωση της θερμοκρασίας στο εσωτερικού ενός σπιτιού, κατασκευάστηκαν δύο σπίτια-μακέτες στο ένα εκ των οποίων τοποθετήθηκε ως παράθυρο υαλοπίνακας K-Glass, ενώ στο άλλο υαλοπίνακας K-Glass στον οποίο είχε προηγουμένως εναποτεθεί θερμοχρωμικό υμένιο VO2 με την τεχνική rf sputtering. Διαπιστώθηκε ότι κατά την εξωτερική θέρμανση των παραθύρων η θερμοκρασία στο εσωτερικό του σπιτιού με το «θερμοχρωμικό» παράθυρο ήταν έως και 5 oC χαμηλότερη από αυτήν του σπιτιού με το συμβατικό παράθυρο, γεγονός που επιβεβαίωσε και πειραματικά τα συγκριτικά πλεονεκτήματα από την εφαρμογή του υλικού αυτού ως επίστρωση σε στοιχεία του κελύφους ενός κτιρίου.Τα παραπάνω αποτελέσματα οδήγησαν στις παρακάτω δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά με κριτές αλλά και ανακοινώσεις σε εθνικά και διεθνή συνέδρια.