電致變色氧化鎢薄膜的制備、結構與性能研究.pdf

1、氧化鎢薄膜材料是一類應用非常廣泛的功能材料，具有十分廣闊的應用前景。該材料可用于電致變色顯示、電致變色靈巧窗以及電致變色無眩反光鏡等。在不同的應用領域，對電致變色薄膜材料的各項性能有不同的要求。WO<,3>電致變色薄膜的研究雖然已經(jīng)十分廣泛，但在實際應用中還存在很多問題，需要進一步深入的研究。本論文在前人研究工作的基礎上，運用溶膠凝膠法，采用兩條不同的工藝路線制備了兩組氧化鎢薄膜。通過多種測試手段對WO<,3>薄膜的顯微結構、光學性能、

2、電化學性能，尤其是電致變色性能進行了深入研究，并得出了一些有意義的結果。其主要內(nèi)容包括以下幾個方面： 1．通過溶膠凝膠的制備工藝，采用浸漬提拉熱分解的方法，以偏鎢酸銨與非離子表面活性劑Pluronic P<,123>的水溶液配制成前驅體液，經(jīng)過不同溫度下熱處理后制備了具有不同晶相的WO<,3>薄膜。通過對薄膜前驅體液的TG-DSC和FT-IR分析確定了薄膜熱處理溫度分別為300℃、400℃和500℃。N<,2>吸附一脫附分析表明

3、，薄膜中含有不規(guī)則的孔結構，其比表面積較??；X射線衍射測試表明，在不同溫度下制備的薄膜具有不同的晶相結構。AFM和FSEM測試的結果顯示，薄膜的表面比較粗糙，但顆粒分布比較均勻，隨著熱處理溫度的升高，薄膜的致密性顯著提高。TEM測試的結果則與XRD和AFM及FSEM的測試結果基本一致，反映了薄膜中晶粒的大小與形貌，并觀察到了顯著的W03晶格條紋。 2．對以偏鎢酸銨法制備的WO<,3>薄膜的電致變色性能進行了深入的研究與分析。電化

4、學循環(huán)伏安測試表明各個溫度下制備的WO<,3>薄膜都體現(xiàn)出了一定的電致變色性能，其中400℃下制備的WO<,3>薄膜的電致變色可逆性與穩(wěn)定性最好。時間響應特性測試表明，400℃和500℃下制備的WO<,3>薄膜的著色響應時間為23s左右，而退色響應時間都較短為7～9s左右。紫外一可見透射光譜測試表明300~C時制備的W03薄膜幾乎不具備光學調(diào)制功能，而400℃和500℃下制備的WO<,3>薄膜則體現(xiàn)出了較好的透過率調(diào)制能力，其著色效率最

5、大值分別達到了19.86 cm<'2>/C和40.98 cm<'2>/C。各個溫度下制備的WO<,3>薄膜的光學帶隙平均在3.2ev左右，其著色態(tài)時的光學帶隙較之初始態(tài)時有所減小。通過Mott-Schottky測試，確定該法所制備的WO<,3>薄膜屬于n型半導體，并推測了其平帶電勢和施主密度。 3．以六氯化鎢的乙醇溶液為前驅體液，以嵌段共聚物Pluronic P<,123>為模板劑，采用浸漬提拉的方法，通過蒸發(fā)誘導自組裝原理，經(jīng)

6、過不同溫度下熱處理后制備了具有不同介孔結構的WO<,3>薄膜。通過對薄膜前驅體液的TG-DSC和FT-IR分析，確定了薄膜熱處理溫度分別為300℃，400℃。薄膜的N<,2>吸附一脫附分析表明利用該法所制備的薄膜中，300℃時，薄膜基本都是介孔薄膜，而400℃時的薄膜，其介孔結構的主體已受到嚴重破壞。X射線衍射測試表明，各薄膜在300℃時基本上都是非晶態(tài)，400℃時，在各薄膜中逐漸生成了三斜晶相的WO<,3>。AFM和。FSEM測試的結

7、果表明，薄膜的表面并不光滑，但顆粒分布比較均勻，隨著熱處理溫度的升高，薄膜的致密性顯著提高。TEM測試的結果反映了薄膜的前驅體組分中P<,123>與六氯化鎢的含量比例和熱處理溫度對晶相結構、顯微形貌及其介孔結構的顯著作用。 4．研究了以六氯化鎢乙醇法制備的WO<,3>薄膜的電致變色性能和光學性能。電化學循環(huán)伏安測試表明各個溫度下制備的WO<,3>薄膜都體現(xiàn)出了良好的電致變色性能，但300℃下的性能要明顯好于400℃，其中300

8、℃下通過試樣C制備的W03薄膜的電致變色可逆性最好。通過計算求得了退色過程中Li<'+>在各薄膜中的擴散系數(shù)和著退色過程中的響應時間，其結果是相互對應的。同時亦發(fā)現(xiàn)薄膜的著色響應時間要明顯高于其退色響應時間，由試樣C所制備的薄膜的時間響應特性最好。紫外可見透射光譜測試表明，300℃下所制備的各薄膜其著色效率都明顯高于400℃下所制備薄膜的著色效率。各薄膜在三態(tài)(初始態(tài)、著色態(tài)和退色態(tài))時的光學帶隙值十分接近，但是400℃時制備的薄膜的光

9、學帶隙值都明顯低于300℃時所制備薄膜的相應值。Mott-Schottky測試結果表明，本實驗中所制備的WO<,3>薄膜屬于n型半導體，計算了其平帶電勢和施主密度。 5．介紹了WO<,3>薄膜電致變色原理的四種經(jīng)典模型：色心模型、雙注入/抽出模型、小極化子吸收模型和能帶模型。運用XPS技術研究了變色前后WO<,3>薄膜中鎢與氧的價態(tài)變化與其結合能的相應關系，并嘗試解釋了本實驗中所制備的WO<,3>薄膜的電致變色機理，進一步印證了