【摘要】：電致變色(EC)是指在外加電場作用下,伴隨著離子的注入與脫出,材料或器件的光學性能和顏色發(fā)生可逆變化的現(xiàn)象。電致變色具有很多優(yōu)勢,如色彩變化豐富、反應速度快、對比度高、雙穩(wěn)態(tài)、能耗低、無視盲角等,更重要的是電致變色的變色狀態(tài)可由用戶根據(jù)環(huán)境條件和自我喜好簡單調(diào)控。因此在智能窗、汽車后視鏡、顯示等領域具有廣闊的應用前景。在柔性和功能集成成為發(fā)展趨勢的當下,高性能的柔性電致變色多功能器件的開發(fā)也愈加引人注目。然而傳統(tǒng)的電致變色器件為透明導電層/電致變色層/離子傳輸層(電解液層)/離子存儲層(或電致變色層)/透明導電層的層狀結構,器件的制備需要層層組裝,這不僅增加了制造成本,產(chǎn)生的多個界面層結合也難以控制,有可能會阻礙離子傳輸并影響器件的綜合性能。此外,柔性開發(fā)的關鍵在于柔性透明電極的開發(fā),然而目前最常用的透明電極是ITO電極,其存在的In元素稀缺、脆性大、制備復雜帶來的高成本問題均妨礙著其在柔性電致變色器件中的應用。最后,綜合性能優(yōu)異且容易制備的功能性材料也依然缺乏。針對以上三個問題,本文設計了介質(zhì)-金屬-介質(zhì)(DMD)結構薄膜,采用可室溫條件制備的電子束沉積制備方法,利用調(diào)控電子轉(zhuǎn)移和離子遷移過程,以WO_3、MoO_3和NiO材料為研究對象,通過摻雜的手段提升材料性能,主要研究內(nèi)容與結果如下:(1)從調(diào)控電子轉(zhuǎn)移和DMD結構構筑入手,提出將過渡金屬摻雜體系(WO_3與MoO_3)用作DMD結構的介質(zhì)層,獲得了綜合性能提高的剛性與柔性的無銦透明導電與電致變色雙功能薄膜,并探究了不同摻雜濃度對薄膜結構與性能的影響。最優(yōu)摻雜比例薄膜在可見光區(qū)的平均透過率達到77.4%,面電阻低至9.4Ω□~(-1),并呈現(xiàn)了很強的寬光譜調(diào)制能力。其響應時間加快至2.7/4.1 s,著色效率提高至70.0 cm~2 C~(-1),并表現(xiàn)出不錯的長程循環(huán)穩(wěn)定性。當其用作柔性薄膜,仍然具有杰出的機械穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性。其性能提高的機制在于薄膜內(nèi)增加的價間電荷轉(zhuǎn)移路徑和快速的電荷轉(zhuǎn)移和離子擴散動力學,本質(zhì)在于界面處的能帶彎曲。該工作為MoO_3和WO_3材料電致變色性能的改進提供了一種有效地可選擇途徑,且該方法制備簡單,界面可控,還可以擴展至其他材料體系以調(diào)節(jié)光電性能。(2)從增強離子遷移和DMD結構入手,提出將預摻雜的LiF/WO_3用作介質(zhì)層材料制備了綜合性能提升的無銦雙功能薄膜,薄膜的電致變色響應波段可通過摻雜含量的變化進行調(diào)控,并一定程度上緩解了離子 俘獲‖現(xiàn)象,促使薄膜著色后完全恢復到透明態(tài)。該薄膜具有優(yōu)異的光電性能和電致變色性能,其在可見光區(qū)域的平均透過率達到80.1%,面電阻低至7.9Ω□~(-1),光學對比度達到38.4%,著色效率提升至157.3 cm~2 C~(-1),響應時間最快達到3.9/3.1 s,并表現(xiàn)出優(yōu)異的彎折穩(wěn)定性。其性能的提高在于良好的界面結合,低內(nèi)阻,高電化學活性以及快速的電荷傳輸和離子擴散。該工作表明了離子摻雜是提高電致變色性能的有效手段。(3)首次制備了透明導電、電致變色和能量存儲三功能NiO/Ag/NiO(NAN)薄膜,證明了雙功能工作體系的拓展性,該研究為功能集成提供了一種簡單有效的方法,并提供了通過視覺上的顏色變化直接監(jiān)控能量存儲狀態(tài)人機交互新體驗。薄膜的透過率超過了70%,面電阻僅為8.0Ω□~(-1),同時具有可與納米結構薄膜相比擬的出色的電致變色穩(wěn)定性和電化學性能,包括NiO材料中最高的著色效率76.6 cm~2 C~(-1),高質(zhì)量比電容364.0 F g~(-1)@2 A g~(-1),極好的倍率性能和800次循環(huán)后性能基本保持不變。這些有益的性能得益于高導電性、良好的界面結合和快速的電化學反應機制。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2
【圖文】：

基于新型無銦透明導電薄膜的柔性電致變色多功能器件研究1.1 電致變色研究背景20 世紀，人們對大量材料的光電性能展開研究以期制備出令人滿意的成像顯示設備。在此熱潮之下，人們偶然發(fā)現(xiàn)一種特別現(xiàn)象，不過直至 1961 年，Platt才在發(fā)表的關于有機染料的變色研究中第一次提出了 電致變色‖這一名詞[5]。1966-1973 年間，S. K. Deb 陸續(xù)報道了三氧化鎢（WO3）和三氧化鉬（MoO3）薄膜中發(fā)生的 EC 現(xiàn)象、利用 EC 現(xiàn)象的 Au-WO3-Au 薄膜在電子照相系統(tǒng)中的應用（見圖 1.11）并提出了 氧空位色心‖的變色理論[6, 7]，這一切標志著電致變色科學與技術研究的開端。其后，更是陸續(xù)出現(xiàn)了大量關于 EC 材料和 EC 機理的報道。彼時，人們認為 EC 最重要的應用領域為顯示器件，但這一想法很快受到液晶顯示成功應用的沖擊而使 EC 的研究陷入低潮。

第 1 章 引言 21 世紀的當下，人口的增加和愈加活躍的人類活動使得煤炭、石傳統(tǒng)能的消耗越來越大并向大氣層排放著更多的碳，加劇著全球變的能源與環(huán)境問題也成為 EC 技術發(fā)展的首要驅(qū)動力，關于 EC 的經(jīng)實現(xiàn)了技術層面開發(fā)并成功商業(yè)化[11]。以當下的美國為例，建筑照明能源消耗數(shù)值約為 1.04TW，占據(jù)了美國能源總消耗的 30%，的能源都是被浪費的[1]。對此已有研究表明，將靜態(tài)窗更換為智能能耗降低 40%。在美國，每年約要安裝 40 億平方英尺的窗戶，而全球需求的 10%，無疑說明了 EC 智能窗極大的市場潛力[12]。

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 苑曉;賀澤民;張?zhí)m英;楊槐;;電致變色材料研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J];新材料產(chǎn)業(yè);2014年05期

2 白惠珍,李玲玲,王勝恩,姚昆明;金屬薄板電導率的四探針測量法[J];河北工業(yè)大學學報;2000年04期

本文編號：2740951