WO3电致变色薄膜的制备及性能研究

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WO3薄膜具有着色电压低、无毒、成本低、循环性能优异、着色记忆性能好等优点,用其制备无机全固态电致变色器件具有成本较低、电致变色性能稳定以及可用磁控溅射的方法进行大尺寸制备等特点,大大提高了电致变色器件的产业化潜力。然而制备大尺寸WO3薄膜及器件的均匀性和电致变色性能的提升方面仍存在诸多问题,是制约电致变色器件实际应用和市场化的关键因素。本论文采用中频孪生反应磁控溅射技术制备WO3薄膜,探讨了氧含量和工作气压这两个关键参数对WO3薄膜结构、形貌及电致变色性能的影响,成功制备出Glass/ITO/WO3/LixWOy/NiWOz/ITO互补型无机全固态器件,并对大尺寸器件进行了初步探索,主要研究内容如下:(1)研究了不同氧含量和工作气压下制备的WO3(370×470mm2)薄膜形貌及结晶特性等。发现溅射速率及相对结晶度随氧含量和工作气压的增加而呈现降低的趋势,表面形貌也发生较大变化。不同条件下WO3膜厚均匀度误差都小于土5.1%,沉积的WO3呈现(002)择优取向的单斜结构,且均具有一定的结晶度。(2)研究了不同制备条件下获得的WO3薄膜的着色特性及其机制。不同氧含量条件下制备的WO3薄膜着色前后均具备较大的光学调制幅度,氧含量造成薄膜的结晶度和形貌的变化,影响Li+的注入和抽出过程,但这对薄膜循环寿命影响不大:不同工作气压制备的WO3薄膜,随工作气压的升高,光学调制幅度减小,Li+更难抽出,薄膜滞色较为严重,同时过高的工作气压不利于提高薄膜循环稳定性。研究发现氧含量51%,工作气压4.7mTorr为最佳制备工艺参数,获得的WO3薄膜在550nm处光学调制幅度可达63.49%,着色态可完全阻挡红外波段的光,阶跃100次后电流密度无衰减。(3)基于前期制备的优化WO3薄膜,制备了全固态电致变色器件,获得了优异的电致变色性能,并进一步探索了大尺寸器件的制备及性能。对135×60mm2尺寸的全固态电致变色器件施加±2.5V驱动电压,器件表现出优异的电致变色特性:550nm波长处光学调制幅度高达57.25%,紫外区和红外区平均透过率分别可实现1.5%~10%、0.7%~52%的动态可调,着色和褪色时间分别是22s、24s,电致变色效率为85.63cm2/C,良好的循环稳定性(超过5500次)。成功制备了最大尺寸为370×470mm2的器件,其变色均匀,并发现随器件尺寸增大,由于器件表面电阻的变化,会导致响应时间延长。
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