二氧化釩為熱門的熱致變色材料，它可隨溫度變化發生獨特且可逆的金屬–絕緣體相變化反應，並伴隨著令人矚目的光學特性變化，會從低溫紅外光可穿透的單斜晶結構轉變成高溫反射紅外光的金紅石結構，此特性被廣泛研究於節能智慧窗之應用。然而，二氧化釩薄膜的缺點，包括不足的太陽光調節能力(ΔTsol)及過低的視感透光率(Tlum)，阻礙了它實際應用的發展。因此，此研究的目的是利用簡單且自我組裝的製程，在石英玻璃基板上製備出二氧化釩的蛾眼奈米結構，其結構由隨機分佈的奈米顆粒(NP)所組成，且能滿足嚴格的應用所需條件：ΔTsol高於10%，Tlum高於60%。
在實驗製程中，我們利用控制磁控濺鍍釩金屬薄膜的厚度在6至12奈米，及退火溫度在攝氏500至600度的條件下，成功製備出次波長顆粒的二氧化釩NP（圖ㄧ）。相較於二氧化釩薄膜，次波長的二氧化釩NP可以同時大幅度提升ΔTsol及Tlum（圖二），其中，局部表面電漿共振(LSPR)效應能使高溫相(金屬態)的二氧化釩在近紅外光波段(波長～1250奈米)有更佳的調控能力，以及消除在可見光波段中的太陽光調節能力之負貢獻，在這兩個因素下使得ΔTsol提升。另外，次波長的二氧化釩NP所產生之較低且漸變的等效折射率，可以大幅降低界面反射率，進而提升Tlum。同時，我們也利用時域有限差分模擬，探討二氧化釩NP之大小、奈米陣列孔洞率和層數對光學特性之影響（圖三），優化出最佳的ΔTsol及Tlum之熱致變色表現，並於實驗中獲得驗證，多層的二氧化釩NP可以有效率地提升ΔTsol，伴隨著少量的Tlum下降。在實驗數據的表現上，單面的二氧化釩NP顯示出高達93.3%的視感穿透率，以及6.1%的太陽光調節能力，而雙面的結構可以進一步提升ΔTsol至14%，且Tlum可維持在70%，此優異的熱致變色光學表現大幅超越其他二氧化釩之文獻。因此，我們認為此二氧化釩奈米顆粒薄膜是一個極具有潛力之結構，能夠廣泛應用於智慧節能玻璃窗之發展。（材料系薛承輝教授提供）
圖ㄧ：控制濺鍍釩金屬薄膜及退火製備單面、雙面二氧化釩NP於石英玻璃基板上示意圖。
圖二：(a)量測60 nm厚二氧化釩薄膜及雙面9 nm厚釩金屬薄膜退火成二氧化釩NP後在高溫(90 ºC)及低溫(25 ºC)之透光率對波長關係圖， (b)二氧化釩NP在石英玻璃基板上之SEM側視及俯視影像。
圖三：時域有限差分模擬：單面二氧化釩NP之 (a) ΔTsol和 (b) Tlum與奈米顆粒大小d及奈米陣列孔洞率p之關係圖；雙面二氧化釩NP之 (c) ΔTsol和 (d) Tlum與奈米顆粒大小d及奈米陣列孔洞率p之關係圖。