镧锰氧化物基智能热控梯度薄膜的复合掺杂及其发射特性研究

The purpose of the present work is to prepare smart thermal control gradient films based on the thermochromic co-doped lanthanum manganites (LaMnO3) for the requirements of variable-emittance devices used in new spacecrafts such as micro-satellites. The (La,A)1-xSrxMnO3 (A=Nd, Ho) films with uniform thickness, smooth surface and good properties are supposed to be prepared by radio-frequency magnetron sputtering using Nd3+, Ho3+ and Sr2+ as the doping ions, and the co-doping effect and emissivity of the smart thermal control films will be investigated. The effects of the deposition and annealing parameters, radii and contents of the doping ions, non-stoichiometric A-site deficiency as well as the induced change of space structure, oxygen deficiency, carrier concentration on the electrical conductivity, ferromagnetism, metal-insulator phase transition and emissivity of the films will be explored. The relationship among the performance, processing and structure is attempted to be established in order to improve the films' emissivity. Finally, by using gradient forming design, (La,A)1-xSrxMnO3 (A=Nd, Ho) thermal control gradient films with bigger variable-emissivity range and wider application-temperature field are expected to be obtained.

针对微小卫星等新型航天器对可变发射率智能热控器件的需求，项目以镧锰氧化物（LaMnO3）基热致变色智能热控梯度薄膜的制备、复合掺杂及其发射特性为研究目标，采用射频磁控溅射技术和后续退火处理方法，以Nd3+、Ho3+、Sr2+为掺杂离子，制备厚度均匀、表面平整、导电、铁磁和热学性能良好的复合掺杂的(La,A)1-xSrxMnO3 (A=Nd, Ho)薄膜；深入研究沉积工艺和热处理制度、掺杂离子种类、离子半径和掺杂量、A位离子缺位以及由此引起的晶格畸变、氧空位和载流子浓度变化对薄膜电导率、铁磁性、金属-绝缘体相转变温度和发射率的影响机制，建立薄膜性能与其结构和制备工艺之间的内在关系，对薄膜发射率特性及其变化规律进行有益的探索以提高其可变发射率性能；在此基础上，通过"梯度化"设计，获得具有较大发射率变化幅度、更宽使用温域的(La,A)1-xSrxMnO3 (A=Nd, Ho)智能热控梯度薄膜。

针对微小卫星等新型航天器对可变发射率智能热控器件的需求，本项目以镧锰氧化物基智能热控薄膜的复合掺杂及其发射特性研究为目标，在镧锰氧化物基热控靶材的制备、镧锰氧化物基热控薄膜的磁控溅射沉积、结构调控与性能优化、掺杂改性与发射特性等方面，开展了较系统的研究工作。首先建立了高品质镧锰氧化物基靶材的制备技术，采用固相反应方法和放电等离子活化烧结技术同时结合退火处理，获得了物相单一、高致密度、大尺寸、具有指定化学计量比的La1-xSrxMnO3和La0.7-xHoxSr0.3MnO3陶瓷；以这些陶瓷为靶材，利用磁控溅射技术制备镧锰氧化物基热控薄膜，重点研究了溅射工艺（溅射功率、溅射气压、氧气浓度等）和退火处理（退火温度等）对其物相组成、结晶取向和表面形貌的影响规律；在此基础上，分别在不同取向和不同晶格失配度的衬底上，实现了镧锰氧化物基薄膜的外延生长，研究了薄膜取向和晶格失配度对其晶体结构、晶格畸变和电阻率、磁化强度、磁电阻的影响，建立了其物理性能与微观结构之间的内在关系，并初步探讨了薄膜的导电机制；最后，基于适宜的磁控溅射工艺和退火处理制度，分别制备出Sr掺杂和Sr/Ho共掺杂的镧锰氧化物基热控薄膜及其梯度薄膜，系统研究了Sr、Ho掺杂量对其化学结构、电阻率、低场磁电阻和发射特性的影响，有效提高了其热辐射性能。依托项目成果，在国内外期刊发表学术论文18篇，其中：SCI收录13篇，EI收录5篇，第一作者或通讯作者15篇；培养博士、硕士研究生5人。