WO3-δ外延薄膜的相调控与性能研究

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在节能减排与环境保护的大背景下,电致变色与光解水等环境友好的新技术受到研究者的广泛关注。WO3-δ作为一种A原子缺失的ABO3型钙钛矿氧化物,在电致变色与可见光响应的光解水领域都具有着广阔的应用前景。WO3-δ中氧的变化可以使它衍生出不同的相,不同相之间物理性质的差异将带来巨大的性能变化,包括电致变色性能与光解水性能。因此,本文期望通过先进的相调控手段来实现WO3-δ富氧相与缺氧相的调控,从而研究相调控带来的各种性能变化。本文采用了脉冲激光沉积技术,利用其腔内氧压精确可控的优势,在(100)方向的YSZ基底上制备了氧压13 Pa至1.3 mPa的不同YSZ/ITO/WO3-δ薄膜。发现随着沉积氧压的不断降低,将发生富氧相WO3向缺氧相WO2.8的相转变过程。通过紫外-可见-近红外透过率测试,发现这个相转变能够使得透过率从富氧相WO3的约100%连续调制到缺氧相WO2.8的约10%,可调制宽度接近90%。又通过光电化学性能测试,发现13 Pa下沉积的富氧相WO3具有半导体氧化物中极强的光解水活性,能够产生大于200μA的光电流。而随着氧压的降低,光解水性能将陡然下降,到沉积氧压到3 Pa以下时,WO3-δ的光电流已经下降了约2个数量级。又采用电催化方式,利用催化剂中的氧也将参与到电催化析氧反应中的现象,将富氧相WO3薄膜作为催化剂参与反应。发现电催化手段不但实现了富氧相WO3向缺氧相WO2.8的动态相转变,同时所获得的缺氧相WO2.8在空气中仅需40 min左右便可自恢复至富氧相WO3。进而通过变电压相调控确定了-1.6 V为最佳相变电压,通过变时间相调控发现相转变时间仅为85 s左右。对于薄膜对可见光及近红外光的透过能力,可调制范围可以从富氧相WO3的约100%连续调制到缺氧相WO2.8的约55%,可调制宽度接近45%,从而真正在低电压下实现了WO3-δ薄膜的自恢复电致变色。通过光电流曲线测试与线性扫描伏安曲线测试,发现随着负电压的逐渐升高,薄膜的光/暗电流比逐渐降低,在较高的负电压(-1.7 V)下,光电流与暗电流逐渐重合。证明了同脉冲激光沉积变氧压调控一样,电催化反应调控的WO3-δ薄膜相变也会导致光解水性能的极大变化。
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