WO3薄膜退火温度与Li+致色性能关系的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)暨南大学物理学系 作者:邓检

  采用反应磁控溅射方法在ITO 玻璃基片上制备WO3薄膜,并在不同温度下进行退火处理。用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、紫外- 可见光分光光度计、电化学测试系统分析薄膜的微观结构及其Li+ 致色性能。结果表明,室温条件下沉积的原始态薄膜,及退火温度200℃以下内的薄膜,基本保持着非晶结构,具有良好的Li+ 致色性能,薄膜的透光调控能力达到61.42%;随着退火温度的升高,薄膜开始晶化,Li+ 致色性能急剧下降。

  随着电致变色材料研究的不断深入,作为最具代表性的无机电致变色材料,WO3 越来越受到研究工作者的重视。电致变色材料因其具有良好的记忆功能、明显差异的两极状态、有效的光能控制、低能耗,在大屏幕显示、“智能窗”、平板显示器、汽车后视镜、挡风玻璃等方面有着非常广阔的应用前景。

  所谓电致变色[1],就是指在交替的高低电压或正负外电场的作用下材料发生光学性能的可逆变化,直观的表现为颜色和透明度的可逆变化。WO3 是一种典型的阴极电致变色材料,其Li+致色的电化学反应式为:

WO3(无色)+xLi++xe-圳LixWO3 (蓝色)

  WO3 为无色透明的褪色态;LixWO3 为蓝色的着色态。通过控制WO3 薄膜在两种状态之间的转换,改变其颜色和透明度,实现显示、“灵巧窗”等方面的应用。

  目前,WO3 薄膜的制备方法常见的有溶胶-凝胶法、蒸发法、溅射法、离子辅助沉积法等[2~5]。注意到,反应磁控溅射法具有基片温升低、沉积速率适中、膜层均匀性及附着力好、膜厚工艺参数易控制等优点。本课题组采取反应磁控溅射方法在ITO 玻璃上制备WO3 薄膜,并通过对薄膜的微观结构、透光率、循环伏安曲线的测试,分析退火处理对薄膜结构和性能的影响。

1、实验

1.1、薄膜的制备

  WO3 薄膜的制备采用反应磁控溅射方法,选取纯度99.95%的金属钨靶,靶径65 mm,溅射工作气体为氩气和氧气的混合气体,氧氩比1:1,工作气压1.0 Pa,溅射功率5 w/cm2,基片和钨靶的距离7cm,溅射时间60 min,膜厚约为300 nm。基片分为普通玻璃和沉积有方阻为15 Ω/□的ITO 薄膜的玻璃。用洗涤剂去油后,依次用去离子水、丙酮、无水乙醇进行超声清洗10 min,然后用干燥的氮气将基片表面吹干。室温条件下沉积的WO3 薄膜样品在大气氛围中进行不同温度的退火处理,升温速率为100℃/h,恒温处理时间为2 h,自然冷却。用普通玻璃为基片的薄膜时行X射线衍射和AFM 形貌检测,用ITO 玻璃为基片的薄膜进行紫外- 可见光透过率和循环伏安曲线检测。

1.2、性能测试与表征

  采用日本理学Riguku- D/max-γB 型X 射线衍射仪测试薄膜的晶格结构;用Ambio(XP- 2)台阶仪检测薄膜的厚度;用Autoprobe CP Research型原子力显微镜测试薄膜的表面形貌;薄膜的Li+ 致色反应在自制两电极电化学槽中进行,以镀有WO3 薄膜的ITO 玻璃作为工作电极,ITO 玻璃作为对电极,电解质为1 mol/L 的LiClO4/PC(丙烯碳酸酯)溶液,两电极之间加电压,通过改变电压极性控制薄膜着色和褪色,用岛津光度2550紫外- 可见光光度计测试薄膜的透光率;用上海辰华的CHI660B 型电化学工作站测试薄膜的循环伏安曲线。

3、结论

  采用反应磁控溅射方法,室温条件下制备了非晶结构的WO3 薄膜,并在大气环境下进行退火处理。研究表明,退火温度在200℃以下,薄膜的结构受退火温度影响不大,均保持非晶态,并且能稍微改善薄膜的Li+ 致色性能;300℃时,WO3薄膜开始结晶,此时的WO3 薄膜处于非晶态和晶态的混合情况,Li+ 致色性能有所下降。随退火温度的升高,薄膜完全晶化,Li+ 致色性能急剧下降。因此,可以认为,决定薄膜的Li+ 致色性能的最终因素是薄膜的结晶情况,非晶结构的WO3 薄膜,利于Li+ 的传输,为良好的Li+ 离子导体,Li+致色性能良好。

参考文献

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