Étude de revêtements thermochromes à base de VO2 élaborés par voie PVD/HiPIMS

Study and development of PVD/HiPIMS thermochromic VO2 thin films

• Auteur / Autrice : Jean-Louis Victor
• Direction : Aline Rougier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Heintz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aline Rougier, Jean-Marc Heintz, Cécile Autret, Jean-François Pierson, Mario Maglione, Alain Gibaud, Aurelian Crunteanu-Stànescu, Corinne Marcel, François Tran-Van, Laurent Sauques
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Autret, Jean-François Pierson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Dépôt en phase vapeur

Pulvérisation cathodique

Oxydes métalliques

Vanadium -- Composés

Mots clés libres

Dioxyde de vanadium

Matériau thermochrome

Pulvérisation cathodique magnétron

Couches minces

HiPIMS

Vanadium dioxide

Thermochromic material

Magnetron sputtering

Thin films

HiPIMS

Résumé

Le dioxyde de vanadium (VO2) est un matériau thermochrome capable de changer de propriétés optiques avec la température suite à un changement de phase cristallographique associé à une transition de Mott. Cette capacité lui permet de moduler les flux thermiques en tant que revêtement de parois ou de vitrages. Il peut ainsi servir à réguler la température d’un habitacle ou encore être utilisé dans le domaine de la discrétion infrarouge. Le dioxyde de vanadium passe d’un état semi-conducteur vers un état métallique aux alentours de 68 °C. Cette température de transition, trop élevée pour l'obtention d'un confort thermique, peut être abaissée par dopage de type n. D’autre part, une température de recuit généralement supérieure à 450 °C est nécessaire à la stabilisation de la phase VO2 thermochrome. Son élaboration est donc difficilement envisageable sur des substrats thermiquement sensibles tels que les polymères.Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent l’étude de ce matériau élaboré en couches minces par pulvérisation cathodique magnétron réactive. Les propriétés thermochromes résultantes ont été mises en évidence par plusieurs techniques d’analyses telles la diffraction des rayons X (DRX), les spectroscopies de rétrodiffusion de Rutherford (RBS) et photo-électronique d’émission X (XPS), l’ellipsométrie, ainsi que par des mesures en température de résistivité corrélées à des mesures spectrophotométriques dans la gamme 2,5 μm à 25 μm du rayonnement infrarouge. En raison de son efficacité démontrée dans la littérature, le tungstène a été choisi comme dopant entre 0 et 4% at. Un taux de 3,6 % a alors permis d’abaisser la température de commutation du matériau jusqu’à 9 °C après recuit à 500 °C. Pour finir, une couche de VO2 performante autour de 59 °C a été obtenue à seulement 300 °C via l’emploi d’une alimentation à haute puissance pulsée (HiPIMS). L’ensemble de ces résultats ouvre des perspectives quant à une application industrielle dans le domaine de l’efficacité énergétique.

Vanadium dioxide (VO2) is a thermochromic material exhibiting tunable optical properties, due to its structural change associated with a Mott transition. Thus, this material is capable to modulate heat flows when coated on walls orwindows. Consequently, it can be used for a wide range of applications, like cabin’s temperature control and adaptive thermal camouflage. Around 68 °C, VO2 shifts from a semiconductor to a metallic state. However, this temperature is too high to bring a thermal comfort, which can be adjusted by n doping. Moreover, in order to stabilize the thermochromic VO2 phase, an annealing step over 450 °C is required, preventing its deposition on thermally sensible substrates such as polymers.This work focuses on the study of this material which was synthesized by reactive magnetron sputtering. Resulting thermochromic properties were evidenced by X-Rays Diffraction (XRD), Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) and X-Rays Photoelectron Spectroscopy (XPS), ellipsometry and by resistivity and spectrophotometric measurements with temperature in the infrared domain ranging from 2.5 μm to 25 μm. The doping was made with tungsten (W) due to its reported efficiency. VO2 thin films were doped with various W amounts (0 to 4% at.). Especially, the 3.6% W doping rate yielded a lowering of the commutation temperature up to 9 °C after annealing treatment at 500 °C. Endly, a performing VO2 thin film switching around 59 °C was obtained at only 300 °C by using HiPIMS mode synthesis, paving the way to industrial applications for energetic efficiency.