基于新型无铟透明导电薄膜的柔性电致变色多功能器件研究

发布时间：2020-07-04 09:33

【摘要】：电致变色(EC)是指在外加电场作用下,伴随着离子的注入与脱出,材料或器件的光学性能和颜色发生可逆变化的现象。电致变色具有很多优势,如色彩变化丰富、反应速度快、对比度高、双稳态、能耗低、无视盲角等,更重要的是电致变色的变色状态可由用户根据环境条件和自我喜好简单调控。因此在智能窗、汽车后视镜、显示等领域具有广阔的应用前景。在柔性和功能集成成为发展趋势的当下,高性能的柔性电致变色多功能器件的开发也愈加引人注目。然而传统的电致变色器件为透明导电层/电致变色层/离子传输层(电解液层)/离子存储层(或电致变色层)/透明导电层的层状结构,器件的制备需要层层组装,这不仅增加了制造成本,产生的多个界面层结合也难以控制,有可能会阻碍离子传输并影响器件的综合性能。此外,柔性开发的关键在于柔性透明电极的开发,然而目前最常用的透明电极是ITO电极,其存在的In元素稀缺、脆性大、制备复杂带来的高成本问题均妨碍着其在柔性电致变色器件中的应用。最后,综合性能优异且容易制备的功能性材料也依然缺乏。针对以上三个问题,本文设计了介质-金属-介质(DMD)结构薄膜,采用可室温条件制备的电子束沉积制备方法,利用调控电子转移和离子迁移过程,以WO_3、MoO_3和NiO材料为研究对象,通过掺杂的手段提升材料性能,主要研究内容与结果如下:(1)从调控电子转移和DMD结构构筑入手,提出将过渡金属掺杂体系(WO_3与MoO_3)用作DMD结构的介质层,获得了综合性能提高的刚性与柔性的无铟透明导电与电致变色双功能薄膜,并探究了不同掺杂浓度对薄膜结构与性能的影响。最优掺杂比例薄膜在可见光区的平均透过率达到77.4%,面电阻低至9.4Ω□~(-1),并呈现了很强的宽光谱调制能力。其响应时间加快至2.7/4.1 s,着色效率提高至70.0 cm~2 C~(-1),并表现出不错的长程循环稳定性。当其用作柔性薄膜,仍然具有杰出的机械稳定性和电化学稳定性。其性能提高的机制在于薄膜内增加的价间电荷转移路径和快速的电荷转移和离子扩散动力学,本质在于界面处的能带弯曲。该工作为MoO_3和WO_3材料电致变色性能的改进提供了一种有效地可选择途径,且该方法制备简单,界面可控,还可以扩展至其他材料体系以调节光电性能。(2)从增强离子迁移和DMD结构入手,提出将预掺杂的LiF/WO_3用作介质层材料制备了综合性能提升的无铟双功能薄膜,薄膜的电致变色响应波段可通过掺杂含量的变化进行调控,并一定程度上缓解了离子俘获‖现象,促使薄膜着色后完全恢复到透明态。该薄膜具有优异的光电性能和电致变色性能,其在可见光区域的平均透过率达到80.1%,面电阻低至7.9Ω□~(-1),光学对比度达到38.4%,着色效率提升至157.3 cm~2 C~(-1),响应时间最快达到3.9/3.1 s,并表现出优异的弯折稳定性。其性能的提高在于良好的界面结合,低内阻,高电化学活性以及快速的电荷传输和离子扩散。该工作表明了离子掺杂是提高电致变色性能的有效手段。(3)首次制备了透明导电、电致变色和能量存储三功能NiO/Ag/NiO(NAN)薄膜,证明了双功能工作体系的拓展性,该研究为功能集成提供了一种简单有效的方法,并提供了通过视觉上的颜色变化直接监控能量存储状态人机交互新体验。薄膜的透过率超过了70%,面电阻仅为8.0Ω□~(-1),同时具有可与纳米结构薄膜相比拟的出色的电致变色稳定性和电化学性能,包括NiO材料中最高的着色效率76.6 cm~2 C~(-1),高质量比电容364.0 F g~(-1)@2 A g~(-1),极好的倍率性能和800次循环后性能基本保持不变。这些有益的性能得益于高导电性、良好的界面结合和快速的电化学反应机制。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

薄膜,电致变色,电子照相

基于新型无铟透明导电薄膜的柔性电致变色多功能器件研究1.1 电致变色研究背景20 世纪，人们对大量材料的光电性能展开研究以期制备出令人满意的成像显示设备。在此热潮之下，人们偶然发现一种特别现象，不过直至 1961 年，Platt才在发表的关于有机染料的变色研究中第一次提出了电致变色‖这一名词[5]。1966-1973 年间，S. K. Deb 陆续报道了三氧化钨（WO3）和三氧化钼（MoO3）薄膜中发生的 EC 现象、利用 EC 现象的 Au-WO3-Au 薄膜在电子照相系统中的应用（见图 1.11）并提出了氧空位色心‖的变色理论[6, 7]，这一切标志着电致变色科学与技术研究的开端。其后，更是陆续出现了大量关于 EC 材料和 EC 机理的报道。彼时，人们认为 EC 最重要的应用领域为显示器件，但这一想法很快受到液晶显示成功应用的冲击而使 EC 的研究陷入低潮。

波士顿,电致变色,博物馆

第 1 章引言 21 世纪的当下，人口的增加和愈加活跃的人类活动使得煤炭、石传统能的消耗越来越大并向大气层排放着更多的碳，加剧着全球变的能源与环境问题也成为 EC 技术发展的首要驱动力，关于 EC 的经实现了技术层面开发并成功商业化[11]。以当下的美国为例，建筑照明能源消耗数值约为 1.04TW，占据了美国能源总消耗的 30%，的能源都是被浪费的[1]。对此已有研究表明，将静态窗更换为智能能耗降低 40%。在美国，每年约要安装 40 亿平方英尺的窗户，而全球需求的 10%，无疑说明了 EC 智能窗极大的市场潜力[12]。

【参考文献】