多孔金屬氧化物基電致變色薄膜的制備及器件設(shè)計(jì).pdf

1、本論文主要的研究?jī)?nèi)容是通過(guò)多孔化設(shè)計(jì)以提高薄膜的電致變色性能。發(fā)展了化學(xué)浴法、單層聚合物球模板電沉積法和熱氧化法等方法,制備了不同多孔形態(tài)的NiO、Co3O4、NiO/PANI和NiO/PEDOT電致變色薄膜,并設(shè)計(jì)制作了NiO/WO3互補(bǔ)型三明治夾心結(jié)構(gòu)的電致變色器件。
　　 采用簡(jiǎn)易高效的化學(xué)浴鍍膜法制備了大比表面積的無(wú)序多孔納米NiO薄膜。多孔薄膜由厚度在20-25 nm,相互連接且垂直于基底的NiO納米片組成。納米片之間

2、相互交叉連接形成無(wú)序多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并留下大量納米/微米孔,孔徑為50-300 nm。多孔納米NiO薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的電致變色性能,其可見光積分調(diào)節(jié)率為72％,其中在550 nm的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)率為82％,變色效率為42 cm2 C-1,而且具有快速的變色能力,平均只需4 s就完成顏色轉(zhuǎn)變,且該薄膜具有深度記憶效應(yīng)。
　　 采用多孔納米NiO薄膜為模板,結(jié)合電化學(xué)沉積法制備了多孔NiO/PANI和NiO/PEDOT無(wú)機(jī)/有機(jī)電致變色復(fù)合薄膜

3、。憎溶和靜電吸引兩個(gè)作用共同導(dǎo)致聚合物在NiO片上擇優(yōu)生長(zhǎng)最終形成多孔無(wú)機(jī)NiO/PANI和NiO/PEDOT復(fù)合薄膜。復(fù)合薄膜保持了多孔網(wǎng)狀形態(tài),但是復(fù)合納米片厚度增加,同時(shí)空隙孔徑變小,且納米片表面形貌變得較為粗糙成褶皺狀。兩種復(fù)合薄膜均表現(xiàn)出良好的多顏色快速變色性能。多孔NiO/PANI復(fù)合薄膜的變色和褪色響應(yīng)速度約為90和110 ms,能在淡黃色、淡綠色,深綠色、藍(lán)色和紫色間可逆變色,在550 nm處的動(dòng)態(tài)調(diào)解率為56％。多孔N

4、iO/PEDOT復(fù)合薄膜能在淡藍(lán)色、藍(lán)黑色和淡紫色之間可逆變色,著色和褪色速度約為500和600 ms。多孔NiO薄膜都起到了良好的支撐作用,且在NiO/PEDOT復(fù)合薄膜中起到協(xié)同變色作用。
　　 采用單層聚苯乙烯球模板法,結(jié)合陰極恒電流沉積法制備了非密排碗狀孔Co3O4薄膜,有序密排碗狀孔Co3O4薄膜和雙層等級(jí)多孔的Co3O4薄膜。非密排碗狀孔Co3O4薄膜表現(xiàn)出最為良好的電致變色性能,其可見光調(diào)節(jié)率為42％,在633 n

5、m處的變色效率為30 cm2 C-1。此外,非密排碗狀孔Co3O4薄膜具有快速變色速度(2.5 s),且有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　 采用熱氧化法制備了Co3O4納米線陣列薄膜.Co3O4納米線陣列薄膜在可見光動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)率為32％,同時(shí)具有快速電致變色性能(1.8s),且循環(huán)穩(wěn)定性良好。Co3O4納米線陣列薄膜的快速變色特性不僅由于其外部的開放式納米多孔結(jié)構(gòu),更因?yàn)榧{米線內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)使納米線里外同時(shí)進(jìn)行反應(yīng),降低了電化學(xué)反應(yīng)的電荷

6、轉(zhuǎn)移和離子擴(kuò)散阻抗,加快了電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),導(dǎo)致變色速度提高。
　　 相比于致密態(tài)薄膜,無(wú)論是有序多孔還是無(wú)序多孔形態(tài),均有利于薄膜電致變色性能的提高。微納米多孔形態(tài)有利于電解液浸潤(rùn)滲透,使活性物質(zhì)與電解液的接觸面更充分,便于離子擴(kuò)散及縮短離子的擴(kuò)散通道。此外,多孔薄膜的大比表面積能提供更多活性反應(yīng)面積,有利于降低電化學(xué)阻抗提高薄膜的電化學(xué)活性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué),導(dǎo)致電致變色性能的提高。
　　 設(shè)計(jì)制作了NiO/WO3三明治夾

7、心結(jié)構(gòu)的全固態(tài)電致變色器件,其中WO3薄膜為電致變色層,多孔納米NiO薄膜為離子存儲(chǔ)層和電解質(zhì)為L(zhǎng)i鹽固態(tài)聚合物電解質(zhì)。這三種功能層分別采用磁控濺射法、化學(xué)浴沉積法和溶膠一凝膠法來(lái)制備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電致變色器件在可見光波段的透過(guò)率調(diào)節(jié)幅度達(dá)55％。對(duì)原型器件進(jìn)行循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試,經(jīng)1000次階躍循環(huán)后,器件仍具有穩(wěn)定的電致變色性能,保持99％光譜調(diào)節(jié)率.研究表明WO3和NiO的互補(bǔ)變色提高了器件的光譜動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)率。XPS分析結(jié)果表明WO3