【摘 要】
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WO_3,作为一种被广泛研究的电致变色(Electrochromic,EC)材料,具有出色的着色能力、光学调制能力和耐久性。物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)是常用的WO_3薄膜制备方法,使用这种方式制备的薄膜结构致密,与基片间的附着力强。然而,基于PVD技术的WO_3薄膜的EC性能却无法得到进一步提升,如颜色转换时间、离子扩散系数等。因此,在不改变薄膜制备
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WO3,作为一种被广泛研究的电致变色(Electrochromic,EC)材料,具有出色的着色能力、光学调制能力和耐久性。物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)是常用的WO3薄膜制备方法,使用这种方式制备的薄膜结构致密,与基片间的附着力强。然而,基于PVD技术的WO3薄膜的EC性能却无法得到进一步提升,如颜色转换时间、离子扩散系数等。因此,在不改变薄膜制备技术的基础上,寻找方法调整WO3薄膜的物理形貌和化学结构是十分有意义的。(1)制造纳米结构是一种可以提升材料电致变色性能的有效途径。相比平滑表面,具有纳米结构的薄膜和电解液的接触面更大,可以达到缩短离子扩散路径、加快离子交换的目的。另一种性能提升方式是改变材料的化学结构,促进材料中电致变色反应的发生,掺杂异价金属元素是一种常用的方式。(2)针对物理形貌,本文使用氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)覆盖的玻璃为基片,利用反应磁控溅射镀膜技术,通过放置在钨靶上的若干银片在WO3上诱导产生纳米岛,并使用化学处理,最终获得WO3纳米岛微结构薄膜。通过研究制备微结构层的多个工艺参数,最终制备出的纳米岛平均直径约185 nm。所制备样品具有高的褪色态流明透过率(92.8%)和出色的颜色对比度(55.9%)。岛状结构增大了材料与电解液接触面(提升约72%),缩短了离子扩散路径,因此提高了薄膜的着色能力(126.4 cm2/C,提升57%)和颜色转换时间(褪色时间为12.1 s,着色时间为7.1 s)。通过后续的电化学测试,我们从内在的机理说明了EC性能提升的原因。快速的颜色转换时间取决于高的离子扩散系数(2.37×10-10 cm2/s)和低的电荷转移电阻(196Ω)。另外,研究还表明,WO3纳米岛微结构薄膜还具有大的电荷存储能力,电极电流为0.25 mA时,面电容达到10.82 mF/cm2。(3)针对化学结构,本文选用Mo为掺杂源。通过制备不同Mo掺杂浓度的WO3薄膜,分析其电化学性能,最终选择出最佳掺杂浓度。在此基础上,结合物理形貌构造方式,制备出Ag诱导Mo掺杂纳米岛WO3薄膜。Mo掺杂可以有效降低材料的着色态透过率(26.5%),提升光调制能力(61.1%)。电化学测试表明,相比未掺杂的微结构薄膜,Mo掺杂后的离子扩散系数降低到7.1×10-10 cm2/s,但是其电荷存储能力有所增加,电极电流为0.25 mA时,面电容达到10.95 mF/cm2。
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