NiO基薄膜与全固态器件制备及其电致变色性能研究

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电致变色是单层膜或者器件在施加外部电压时引起其可逆颜色变化的一种现象,该过程涉及到电子和离子(即H+,Li+等)的双注入/脱出。无机电致变色材料因其热稳定性高、制备容易和成本较低而得到广泛的研究。在实际应用中,通常将单层电致变色薄膜组装成电致变色器件。NiO是一种重要的无机阳极电致变色材料,其能够与阴极电致变色材料WO3互补着色产生中性灰。通常研究NiO薄膜所用的电解液分为碱性水溶液和无水锂盐溶液,近些年发展了利用无水锂盐溶液进行NiO电致变色性能的研究。相比在碱性水溶液中,NiO薄膜在无水锂盐溶液中表现出有限的光学调制范围。但是由于全固态器件中通常使用锂盐作为固态电解质,因此研究氧化镍薄膜在无水锂盐溶液中的电致变色性能更具有实际意义,有利于构建全固态电致变色器件。
  本论文采用射频磁控溅射技术制备了NiO薄膜和钨掺杂的NiO薄膜,并在此基础上采用逐层溅射方法制备了基于NiO薄膜的全固态互补电致变色器件。采用XRD、SEM、XPS和可见-近红外光谱等测试手段对薄膜与器件进行了表征分析,并以无水锂盐溶液为电解液,研究了NiO薄膜和钨掺杂NiO薄膜的电致变色性能,最后对组装的全固态器件的电致变色性能进行了研究。
  研究结果表明,随着热处理温度的增加,所制备的NiO薄膜的光学透过率增加,响应速度变快,但是其光学调制减少。热处理使得NiO薄膜的反应可逆性增加,有利于提高NiO薄膜的循环稳定性。不同沉积时间的NiO薄膜经过300℃热处理后光学透过率相当,光学调制范围随着薄膜沉积时间的增加而提高。少量钨掺杂的NiO薄膜比未掺杂NiO薄膜的光学透过率更低。6%钨掺杂量的NiO薄膜具有典型的(200)取向的结晶结构,且该掺杂NiO薄膜比未掺杂薄膜的锂离子扩散系数和光学调制提高,具有最佳的着色效率,达到34cm2/C。对于全固态互补电致变色器件,有一个合适的电压来获得最佳的光学调制,所施加的电压大小与器件的着色效率无关。钨掺杂NiO薄膜能够提高全固态器件的响应速度,同时获得更加中性的着色,光学调制范围为60.6%。
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