无机电致变色薄膜和器件的制备及性能研究

作     者：武振甲 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王顺花

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：氧化钽 锰酸锂薄膜 夹胶法 电致变色器件 

摘      要：电致变色是指材料在外加电场的作用下其内部离子、电子发生双注入或抽出所引起的光学属性(如颜色、透过率、反射率等)发生变化的现象。电致变色材料由于其驱动电压低、能耗小、调节范围广,具有断路记忆功能等特点,在建筑、汽车、国防等领域被广泛应用,而由此发展起来的由电致变色材料组装而成的电致变色器件是人们目前研究的热点。但是,由于电致变色薄膜或器件内部本身存在的缺陷,导致电致变色器件在运行时存在较大漏电流,从而严重影响器件的记忆性能,增加器件的电能消耗,还会影响器件的寿命与稳定性。因此,研究如何减小电致变色器件中的漏电流具有重要的理论和实际意义。在电致变色器件中添加能够阻断电子的阻挡层(保护层)可有效降低漏电流。因氧化钽具有较好的介电性能,故本文采用氧化钽作为电致变色器件的阻挡层,研究其对电致变色薄膜和器件的影响。另外,传统电致变色材料颜色单一、性能不稳定等仍然制约其发展和应用。因此,寻求新型的性能优异的电致变色材料是亟待解决的一个问题。锰酸锂材料在电池中应用较广,有无毒、原料丰富、对环境友好等优点,又有能量密度高、循环稳定性好,且颜色多变等优势,可作为电致变色材料使用,故本文制备了锰酸锂薄膜及基于锰酸锂薄膜的电致变色器件,并研究了其结构和电致变色特性。氧化钨和氧化镍是研究较广泛的电致变色材料,常作为电致变色器件的阴极和阳极。本文利用磁控溅射法,通过调节工艺参数,优化制备了氧化钨和氧化镍电致变色薄膜。通过XRD分析发现,制备的氧化钨为非晶结构,而氧化镍为结晶态;通过SEM分析发现,氧化钨表面疏松,氧化镍表面平整、颗粒清晰。通过电化学和光学性能测试发现,二者都具有良好的电致变色性能。利用磁控溅射法分别在氧化钨和氧化镍薄膜上连续溅射阻挡层氧化钽薄膜。对WO和WO/TaO施加±1V电压进行循环伏安测试,发现WO薄膜的循环伏安曲线包络面积明显大于WO/TaO膜层;对两种薄膜进行光学性能测试,发现WO在550nm处的光学调制幅度为75%,而WO/TaO膜层在550nm处的光学调制幅度仅为50%。同样对NiO和NiO/TaO施加±1V电压进行循环伏安测试,发现两者的氧化还原峰不同;对两种薄膜进行光学性能测试,发现NiO在550nm处的光学调制幅度为40%,而NiO/TaO膜层在550nm处的光学调制幅度为38%,这说明阻挡层TaO对WO薄膜的光学性能产生了较大影响,而对NiO薄膜影响不大。这种差异可能是WO/TaO与NiO/TaO的界面不同导致的。利用磁控溅射法分别制备了结构为Glass/ITO/NiO/LiNbO/WO/ITO、Glass/ITO/NiO/TaO/LiNbO/WO/ITO、Glass/ITO/NiO/TaO/LiNbO/TaO/WO/ITO的三种(即5层、6层、7层)电致变色器件。通过对比研究发现,制备的6层器件在可见光区的光学调制幅度可达59.4%,均优于5层器件的41.5%和7层器件的39.8%。通过循环伏安测试发现,6层与7层器件较5层器件都有更小的漏电流、良好的断路记忆性能。采用溶胶凝胶法,通过旋涂的方式制备了锰酸锂电致变色薄膜。通过XRD分析发现,锰酸锂薄膜为尖晶石结构;通过SEM分析发现,薄膜表面有较多气孔;对薄膜进行电化学性能研究,发现制备的薄膜颜色可在淡黄色与橙黄色之间转变,薄膜在500nm处的光学调制幅度可达41.8%,说明锰酸锂是一种新型的电致变色材料。将锰酸锂薄膜作为电致变色层、氧化钨作为对电极层,采用夹胶法制备了结构为Glass/ITO/WO/UV-based-PC-LiClO/LiMnO/FTO/Glass的电致变色器件。通过电化学测试分析,发现制备的电致变色器件光学调制幅度可达34.9%(550nm处),在-1.7VV电压下的着色时间只有16s,褪色时间11s,着色效率高达57.69mC/cm。