溅射沉积纳米结构TiO2/WO3复合薄膜及其电致变色性能研究

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三氧化钨(WO3)薄膜是一种重要的无机电致变色材料,但是基于纯WO3薄膜的电致变色器件在着色效率和循环稳定性等诸多方面远远不能达到实际应用的要求。二氧化钛(TiO2)具有无毒,价格低,化学稳定性高,能带电位合适,光电转换效率高等优点,本文将TiO2掺入WO3薄膜中,以确保能够利用两者的协同作用,从而改善单一材料存在的缺点和不足,进而提高电致变色性能。本研究通过掠射角磁控溅射法制备纳米结构TiO2/WO3复合薄膜,采用SEM,EDS,XRD等对薄膜进行表征,采用电化学工作站,紫外-可见分光光度计等对薄膜进行电致变色性能测试,主要考察了不同溅射功率和衬底温度对TiO2/WO3复合薄膜的微观形貌,晶体结构,电致变色特性,光学性能等的影响,优化出最佳溅射功率为200W和最佳衬底温度为150℃,并在最佳溅射功率和最佳衬底温度下沉积TiO2/WO3复合薄膜,与纯WO3薄膜的电致变色性能进行了详细比较。具体研究结果如下:首先,在室温条件下对不同溅射功率下制备的复合薄膜的电致变色特性和光学性能进行测试。结果表明,在溅射功率为200W时,复合薄膜具有最大的离子注入和脱出速率,分别为4.57×10-11cm2/s和3.17×10-11cm2/s,致褪色响应时间分别为7.1s和10.6s。经过500次循环后电荷容量衰减较小,衰减的电荷容量为5.28m C/cm2,说明此溅射功率下复合薄膜的循环稳定性较为优异。在光学性能方面,其光密度变化和着色效率达到最大值,分别为0.51和12.82cm2/C,从而优化出最佳溅射功率为200W。其次,在溅射功率为200W条件下对不同衬底温度下制备的复合薄膜的电致变色特性和光学性能进行测试。结果表明,在衬底温度为150℃时,复合薄膜处于部分晶化的无定型结构,具有最大的离子注入和脱出速率,分别为7.23×10-11cm2/s和6.51×10-11cm2/s,致褪色响应时间分别为4.7s和5.2s。经过500次循环后电荷容量衰减较小,衰减的电荷容量为3.04m C/cm2。在光学性能方面,其光密度变化和着色效率达到最大值,分别为0.81和16.75cm2/C,从而优化出最佳衬底温度为150℃。最后,在优化条件下(溅射功率为200W、衬底温度为150℃)制备纳米结构TiO2/WO3复合薄膜与WO3薄膜,对它们的电致变色性能进行比较。结果表明,TiO2/WO3复合薄膜的离子扩散速率高于WO3薄膜,同时TiO2/WO3复合薄膜的循环稳定性和响应速度均优于WO3薄膜。在波长600nm处TiO2/WO3复合薄膜和WO3薄膜具有相近的光密度变化和着色效率,TiO2/WO3复合薄膜的禁带宽度小于WO3薄膜,说明TiO2/WO3复合薄膜在可见光范围内发生了红移,提高电子传输效率,从而降低电子传输所需能量。TiO2/WO3复合薄膜的光学记忆能力高于WO3薄膜,具有更长的致色停留时间。
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