NiO基电致变色薄膜的磁控溅射制备及其性能研究

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近年来,随着能源的需求及消耗不断增加,节能与环保受到各国的重视。其中电致变色器件由于在外电场的作用下对光热辐射具有可调节的特性,在智能窗、防眩光后视镜、车窗以及显示器等方面有着广泛的应用,成为国内外研究的热点。电致变色器件典型结构为透明导电层/电致变色层/电解质层/离子储存层/透明导电层。在上述结构中,离子存储层材料通常为氧化镍(Ni Ox),该材料具有阳极电致变色特性,在器件中可作为传统阴极电致变色材料氧化钨(WO3)的对电极,对器件的性能以及稳定运行起到至关重要的作用。然而,目前Ni Ox在器件应用中存在电荷容量低下的缺点,从而导致与WO3变色所用电荷量不匹配,另外还存在光调制幅度有限、循环稳定性能较差、褪色态存在淡黄色颜色残留等系列问题。本论文拟采用锆(Zr)掺杂以及锂硅(Li-Si)共掺杂等方式进行薄膜成份调整,并辅以溅射沉积条件优化以及后续快速热处理技术来改善Ni Ox薄膜特性,主要研究内容与结果如下:(1)采用射频磁控溅射方法制备了Zr掺杂NiOx薄膜,在100-300 W溅射功率和1.6 Pa气体压强条件下制备的Zr-Ni Ox薄膜具有(200)取向生长特性。薄膜褪色态在Lab色度坐标中的(a*,b*)坐标由纯Ni Ox的(0.74,3.83)转向为(2.35,-0.74),表现出良好的色中性,有效改善了NiOx薄膜褪色态淡黄色颜色残留。当溅射功率在100 W时,薄膜的最优调制幅度为21%,电荷容量为4.9m C/cm~2,仍需要进一步提升。(2)采用射频磁控溅射方法制备了Li-Si共掺杂的NiOx(简称Li-Si Ni Ox)薄膜,固定溅射功率为150 W,改变工作压强在一定程度上可以调控薄膜结晶状态和生长取向,当气压处于1.6 Pa时,薄膜沿(111)面取向生长。Ni3+离子在薄膜中含量相对于纯NiOx薄膜由27%上升至44%,禁带宽度由3.63 e V上升至3.72e V,其在可见光波段(300-1100 nm)的平均吸收率从16%下降到了8.1%,薄膜褪色态在可见光范围的平均透过率因此由80%上升到88.6%,薄膜电荷容量为13.6 m C/cm~2,其可见光调制幅度能达到39%。此外,对Li-Si Ni Ox薄膜进行快速热退火处理后,Li-Si Ni Ox薄膜(111)峰强度增加,晶粒尺寸由29.7 nm上升到43.3 nm,微应力由0.0964下降到0.0772,位错密度0.033下降到0.023,Ni3+离子在薄膜中含量由44%上升至60%,其电致变色过程电荷容量上升到14.8 m C/cm~2,并且经过100圈循环之后薄膜电荷容量保持不变,说明薄膜的循环稳定性能有实质性提高。本论文以磁控溅射方法成功制备了Zr掺杂和Li-Si共掺的Ni Ox薄膜,通过优化溅射条件以及快速热退火处理的方式获得大电荷容量、褪色态高透过、循环稳定性能优越的Ni Ox基电致变色薄膜,研究结果为该材料在高品质电致变色器件中的应用提供了丰富的实验数据基础和科学理论依据。
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