Plasmonische Nanostrukturen und Beschichtungen für intelligente Fensterverglasungen aus reinem und dotiertem Vanadiumdioxid

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden am I. Physikalischen Institut der JLU Gießen Dünnschichten aus thermochromem Vanadiumdioxid (VO2) für verschiedene An- wendungen untersucht. Solche Dünnschichten können als aktive Schicht für sogenannte intelligente Fenster- beschichtungen, auch Smart Windows genannt, eingesetzt werden. Dabei spielt ihr Isolator-Metall Übergang die entscheidende Rolle. Bei einer Temperatur der Dünn- schicht unterhalb ihrer Phasenübergangstemperatur ϑc befindet sich das VO2 in seiner monoklinen Struktur, ist isolierend und lässt Strahlung im infraroten Wel- lenlängenbereich passieren. Erhöht sich die Temperatur der Schicht, zum Beispiel durch Sonneneinstrahlung, findet ein Übergang in die Rutilstruktur statt, das Ma- terial wird metallisch leitend und die infrarote Strahlung wird geblockt. Somit kann ein sogenanntes intelligentes Fenster zwei verschiedene Zustände einnehmen. Den Niedrigtemperaturzustand im Winter, in welchem ein Raum durch die eintreffende IR-Strahlung erwärmt werden kann, und den Hochtemperaturzustand im Sommer. Dann wird die Temperatur eines Raumes nicht durch die eintreffende Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich beeinflusst, man spricht von einer passiven Kühlung ohne externe Energiezufuhr. Für die Verwendung als intelligente Fensterbeschich- tung müssen die per Sputterdeposition hergestellten Schichten optimiert werden und ihre Eigenschaften durch eine Dotierung mit Fremdatomen, in diesem Falle Wolfram und Strontium, weiter verändert werden. In dieser Arbeit wurde außerdem der Einfluss von verschiedenen oxidischen Pufferschichten (z.B. TiO2, Ga2O3, NiO, MgO) zur Verbesserung des Kristallwachstums untersucht. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit VO2-Dünnschichten, die mit Ti- tan dotiert wurden. Die Herstellung der Proben erfolgte hierbei an der Arbeits- gruppe von Prof. Dr. Yunbin He in Wuhan. Erste Messungen zur Bestimmung der Kristallstruktur zeigen hier überraschenderweise schon eine Rutilstruktur im Tief- temperaturzustand. Um diese Ergebnisse weiter zu untersuchen, wurden polarisa- tionsabhängige Raman-Spektroskopie-Messungen durchgeführt und die erhaltenen Ergebnisse dann mit theoretischen Berechnungen der Polarisationsabhängigkeiten der Phononen-Raman-Signale verglichen, um zu zeigen, dass auch hier eine mono- kline Kristallstruktur vorliegt und die winkelabhängige Raman-Spektroskopie sich sehr gut eignet, um diese Abhängigkeiten abzubilden. Ein weiterer Anwendungsfall für die Nutzung des Isolator-Metall-Übergangs in rei- nem und dotiertem V1 xWxO2 ist die Herstellung mikrostrukturierter Resonator- anordnungen, die als Linsen oder holographische Strukturen für elektromagnetische Strahlung im Terahertz-Bereich dienen können. Hier wurden in Kooperation mit der Capital Normal University in Peking auf Basis von Simulationen Mikrostrukturen entwickelt und im Mikro- und Nanostrukturierungslabor des Zentrums für Materi- alforschung (ZfM/LaMa) hergestellt, sowie beim Kooperationspartner an der CNU Beijing vermessen. Es konnte gezeigt werden, dass thermisch schaltbare Linsen auf der Basis von c-förmigen Resonatorstrukturen mit Erfolg hergestellt werden konnten.