基于含氧氢化钆薄膜的宽波段调制光致变色智能窗研究进展

作者及发表信息
本研究由中国科学院上海硅酸盐研究所的李众少（Li Zhongshao）、李明（Li Ming）及曹逊（Cao Xun）团队完成，成果发表于《Journal of Inorganic Materials》（无 机 材 料 学 报）2024年4月第39卷第4期，文章标题为《Broadband-modulated photochromic smart windows based on oxygen-containing gadolinium hydride films》。

学术背景与研究目标
建筑能耗占全球总能耗的40%，其中窗户因热交换效率低下导致60%的能量损失。传统光致变色智能窗（photochromic smart windows）虽能调控可见光-近红外（NIR）波段，但中红外（MIR，mid-infrared）波段的动态辐射制冷（dynamic radiative cooling, DRC）研究长期空白。稀土含氧氢化物（REOxHy, rare-earth oxygen-containing hydrides）因其高效可逆的光致变色特性（photochromism）和宽波段调制潜力成为研究热点。本研究旨在开发一种基于ITO/GdOxHy双层薄膜的智能窗，实现可见光-NIR-MIR全波段被动协同调制，并解决REOxHy薄膜稳定性与制备效率问题。

研究流程与方法
1. 薄膜制备与优化
- 材料合成：采用直流磁控溅射（magnetron sputtering）法，在室温下以高纯Gd靶材为源，氢氩混合气体为反应气氛，于ITO基底上沉积GdOxHy薄膜。通过调控Ar:H₂流量比（如40:10至40:30）优化薄膜性能。
- 稳定性提升：提出一步法制备策略，避免传统氧化工艺耗时问题。通过XRD（X-ray diffraction）和SEM（scanning electron microscope）验证薄膜结晶性与表面形貌，发现Ar:H₂=40:10时薄膜初始透光率＞80%，光致变色对比度（δT）达45%。

1. 性能表征

   • 光学特性：使用紫外-可见-近红外分光光度计（UV-Vis-NIR spectrophotometer）测试350–2500 nm透射率，计算太阳能调制效率（δTsol=35.1%）和可见光调制率（δTlum=37%）。
     
   • 红外辐射调控：通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析8–13 μm波段发射率变化（δε=0.12），结合基尔霍夫定律（Kirchhoff’s law）证实光诱导发射率提升。
     
   • 光致变色机制：XPS（X-ray photoelectron spectroscopy）显示光照后表面氧富集，Gd4d能级未显著偏移，表明氢/氧垂直迁移导致内部形成GdH₂相，驱动晶格收缩（XRD峰位右移）。
     

2. 动态性能测试

   • 褪色速率：在70℃热场中，薄膜20分钟内恢复80%初始透光率，而室温下仅恢复30%。高温退火（＞100℃）会因氧过量导致光致变色性能退化。
     
   • 图案化应用：通过紫外光投影掩模技术实现“SICCAS”图案化刻蚀，红外热成像显示光照区域发射温度显著升高，验证了其在信息加密与热管理中的潜力。
     

主要结果与逻辑链条
1. 宽波段调制性能：ITO/GdOxHy薄膜在可见光-NIR波段透射率下降35.1%，同时MIR发射率提升0.12，首次实现全波段动态调控。这一结果通过光谱数据与红外热成像直接验证。
2. 稳定性突破：一步法制备的薄膜在60%湿度环境下10天性能无衰减（SEM显示表面形貌完整），解决了REOxHy易氧化降解的难题。
3. 机制解析：XPS与XRD证实光诱导氢迁移和氧重排是性能核心，晶格收缩（晶面间距减小）与表面氧富集共同促成宽带响应。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了REOxHy薄膜的氢/氧迁移机制，为宽波段光致变色材料设计提供新思路。
2. 应用价值：开发的智能窗无需外部能源即可实现自适应调光与辐射制冷，结合紫外光刻技术可拓展至动态伪装、红外信息存储等领域。

研究亮点
1. 全波段首创：首次将光致变色智能窗的调制范围扩展至MIR，填补DRC技术空白。
2. 工艺革新：一步法替代传统氧化工艺，制备时间从数天缩短至单次溅射，且稳定性显著提升。
3. 多场景适用性：通过温度调控褪色速率，适应不同气候需求；图案化演示验证了多功能集成潜力。

其他发现
- 低温环境（＜0℃）下薄膜褪色停滞，表明热场是调控性能的关键变量。
- 薄膜粗糙度＜5 nm（AFM结果），满足光学器件表面平整度要求。

本研究通过材料设计、工艺优化与机制解析的三维创新，推动了智能窗技术向全波段自适应调控的跨越发展。