钛基电致变色薄膜的溶胶—凝胶法制备及其性能研究

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电致变色材料是一类很有应用前景的功能材料。近年来,学界和产业界均对电致变色器件各种可能的应用进行了大量的研究开发,如抗眩光后视镜、信息显示器和“智能窗”等。电致变色材料能够调节物体的热辐射能力,也能用于人造卫星的温控和军事伪装上。有许多可供选择的WO3类过渡金属电致变色材料,由于WO3具有的高着色效率、快的响应时间和长寿命,吸引了研究人员强烈的兴趣。MoO3的着色效率则相对较低,但由于其吸收峰位置与人眼敏感区接近,使得这一材料在应用研究方面具有格外的吸引力。钼钨混合氧化物薄膜则表现出较宽的光谱吸收宽度。这可能源自这种双组分材料中,大量缺陷的存在。通过调节两种组分的比例,可方便地调节光谱吸收,进而调和色彩。更高的着色效率亦是期待的,因为两种金属不同价态的存在(W6+,W(5+),W4+,Mo6+,Mo5+,Mo4+),使得电子可以跃迁的位点增加。电致变色器件的商业应用主要受其成本和寿命的影响,使用的材料和采用的工艺扮演了至关重要的角色。自从1969年Deb发现WO3电致变色现象以来,各种不同的技术已被用于制备电致变色薄膜,例如,溅射、蒸发沉积、电沉积和溶胶—凝胶。然而,最近几年,化学法有替代物理法的趋势,因为后者需要更多的资金投入。新近发展的溶胶-凝胶法(Sol-Gel)工艺简单、组分易控、成膜均匀、成本低廉,适用于制备大面积的电致变色薄膜。这一路线相对较低的技术条件要求和工艺成本使得许多研究者乐于采用这一技术。本文加入双氧水和草酸控制钛酸丁酯水解,制得稳定的TiO2醇溶胶,进而制备出高质量的对电极薄膜。试验表明,制得的TiO2醇溶胶在室温可以稳定存放1年以上。双氧水和草酸的引入不仅可以改善TiO2醇溶胶的稳定性,还能控制形成的薄膜的晶粒大小和微观结构。在ITO/glass上以180℃真空热处理2h后的TiO2薄膜具有良好的光电性能。作为电致变色材料,经常采用掺杂的办法改善WO3薄膜性质。本文以价廉易得的试剂Na2MoO4·2H2O和Na2WO4·2H2O作为起始原料,经离子交换,加入过氧化氢和醋酸,制得乙酰化过氧钼钨酸固体,用乙醇溶解,再加入草酸制得相应的醇溶胶体系。往上述溶胶中加入TiO2醇溶胶即可获得制备钼钛掺杂WO3电致变色薄膜的醇溶胶。双氧水和草酸的引入不仅增加了经掺杂的钨酸醇溶胶的稳定性,还提高了掺杂的WO3电致变色薄膜的质量。尤其是草酸的加入能控制掺杂的WO3电致变色薄膜的微观结构。在ITO/glass上以180℃真空热处理2h后,掺杂的WO3薄膜具有良好的光电性能。采用含有最佳组分比例的溶胶制作的电致变色薄膜拥有优异的电化学和物理性能,非常适合用于电致变色器件。本文中我们研究了溶胶组分对其稳定性和成膜性能的影响,以及薄膜的电学、光学和电致变色性质,给出了详细的红外、可见光谱、XRD、SEM和电致变色性质分析。
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