電致變色氧化鎢薄膜的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、氧化鎢薄膜材料是一類(lèi)應(yīng)用非常廣泛的功能材料，具有十分廣闊的應(yīng)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(wú)眩反光鏡等。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)電致變色薄膜材料的各項(xiàng)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(shí)際應(yīng)用中還存在很多問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入的研究。本論文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，運(yùn)用溶膠凝膠法，采用兩條不同的工藝路線(xiàn)制備了兩組氧化鎢薄膜。通過(guò)多種測(cè)試手段對(duì)WO<,3>薄膜的顯微結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能、

2、電化學(xué)性能，尤其是電致變色性能進(jìn)行了深入研究，并得出了一些有意義的結(jié)果。其主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 1．通過(guò)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(qū)體液，經(jīng)過(guò)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(guò)對(duì)薄膜前驅(qū)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(jié)構(gòu)，其比表面積較??；X射線(xiàn)衍射測(cè)試表明，在不同溫度下制備的薄膜具有不同的晶相結(jié)構(gòu)。AFM和FSEM測(cè)試的結(jié)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(cè)試的結(jié)果則與XRD和AFM及FSEM的測(cè)試結(jié)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(duì)以偏鎢酸銨法制備的WO<,3>薄膜的電致變色性能進(jìn)行了深入的研究與分析。電化

4、學(xué)循環(huán)伏安測(cè)試表明各個(gè)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(shí)間響應(yīng)特性測(cè)試表明，400℃和500℃下制備的WO<,3>薄膜的著色響應(yīng)時(shí)間為23s左右，而退色響應(yīng)時(shí)間都較短為7～9s左右。紫外一可見(jiàn)透射光譜測(cè)試表明300~C時(shí)制備的W03薄膜幾乎不具備光學(xué)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(guò)率調(diào)制能力，其著色效率最

5、大值分別達(dá)到了19.86 cm<'2>/C和40.98 cm<'2>/C。各個(gè)溫度下制備的WO<,3>薄膜的光學(xué)帶隙平均在3.2ev左右，其著色態(tài)時(shí)的光學(xué)帶隙較之初始態(tài)時(shí)有所減小。通過(guò)Mott-Schottky測(cè)試，確定該法所制備的WO<,3>薄膜屬于n型半導(dǎo)體，并推測(cè)了其平帶電勢(shì)和施主密度。 3．以六氯化鎢的乙醇溶液為前驅(qū)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(guò)蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝原理，經(jīng)

6、過(guò)不同溫度下熱處理后制備了具有不同介孔結(jié)構(gòu)的WO<,3>薄膜。通過(guò)對(duì)薄膜前驅(qū)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(shí)，薄膜基本都是介孔薄膜，而400℃時(shí)的薄膜，其介孔結(jié)構(gòu)的主體已受到嚴(yán)重破壞。X射線(xiàn)衍射測(cè)試表明，各薄膜在300℃時(shí)基本上都是非晶態(tài)，400℃時(shí)，在各薄膜中逐漸生成了三斜晶相的WO<,3>。AFM和。FSEM測(cè)試的結(jié)

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(cè)試的結(jié)果反映了薄膜的前驅(qū)體組分中P<,123>與六氯化鎢的含量比例和熱處理溫度對(duì)晶相結(jié)構(gòu)、顯微形貌及其介孔結(jié)構(gòu)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(xué)性能。電化學(xué)循環(huán)伏安測(cè)試表明各個(gè)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(guò)試樣C制備的W03薄膜的電致變色可逆性最好。通過(guò)計(jì)算求得了退色過(guò)程中Li<'+>在各薄膜中的擴(kuò)散系數(shù)和著退色過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)間，其結(jié)果是相互對(duì)應(yīng)的。同時(shí)亦發(fā)現(xiàn)薄膜的著色響應(yīng)時(shí)間要明顯高于其退色響應(yīng)時(shí)間，由試樣C所制備的薄膜的時(shí)間響應(yīng)特性最好。紫外可見(jiàn)透射光譜測(cè)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(shí)的光學(xué)帶隙值十分接近，但是400℃時(shí)制備的薄膜的光

9、學(xué)帶隙值都明顯低于300℃時(shí)所制備薄膜的相應(yīng)值。Mott-Schottky測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)中所制備的WO<,3>薄膜屬于n型半導(dǎo)體，計(jì)算了其平帶電勢(shì)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(yùn)用XPS技術(shù)研究了變色前后WO<,3>薄膜中鎢與氧的價(jià)態(tài)變化與其結(jié)合能的相應(yīng)關(guān)系，并嘗試解釋了本實(shí)驗(yàn)中所制備的WO<,3>薄膜的電致變色機(jī)理，進(jìn)一步印證了