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《中国建筑材料科学研究总院》 2018年
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Ti掺杂WO_3薄膜的制备及其电致变色性能研究

代强  
【摘要】:电致变色玻璃可以主动调控玻璃的采光和遮阳性能,实现智能化,是建筑节能玻璃发展方向。相比其它电致变色材料,氧化钨因变色幅度大、着色效率高等优点而受到广泛关注。大的调制幅度、高的着色效率、低的驱动电压、优异的循环稳定性和环境耐久性等是电致变色材料用于大面积建筑智能窗必须满足的条件。但是普通的氧化钨不能同时满足以上要求。所以改善氧化钨变色循环稳定性等与电致变色相关的核心性能,是其适用于大面积电致变色智能窗的关键技术。本论文采用金属钨与钨钛合金靶材,通过脉冲直流反应磁控溅射的方法分别制备了WO_3与WO_3:Ti薄膜,通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、电化学工作站等分析测试手段,研究了薄膜厚度,和基片温度、氧气分压等镀膜工艺参数对薄膜晶体结构、表面形貌以及电致变色性能(调制幅度、响应时间、变色效率、循环寿命)等的影响;对比了WO_3薄膜掺杂Ti前后结构、表面形貌与性能的不同,阐述了Ti元素掺杂对氧化钨电致变色的影响机制。研究表明:WO_3薄膜着色前后晶格应变和表面粗糙度发生变化,随着薄膜厚度增加,变化值均先减小后增大,在厚度为250nm时变化值最小,这时WO_3有较高的光学调制幅度和变色效率。因此250nm是WO_3薄膜作为电致变色功能层的最佳厚度。非晶态WO_3薄膜结构相对疏松有利于锂离子嵌入与抽出,但在循环变色中结构逐渐被破坏,200次循环后光学调制幅度由47.9%降至2.9%,WO_3变成棕黄色,不再可以循环变色;350℃制备的结晶态WO_3薄膜在循环200次后薄膜的光学调制幅度由61.8%降至49.5%,同样有所降低;因此,虽然结晶态WO_3薄膜的循环稳定性优于非晶态,但仍需提高。WO_3:Ti薄膜基底温度升至300℃开始由非晶态转变为立方晶系;350℃制备的WO_3:Ti薄膜200次循环后调制幅度仍为62%,未发生衰减。随着氧分压增加,薄膜由欠氧单斜晶系转变为立方晶系,透过率上升,沉积速率降低,薄膜致密性增加;氧分压对薄膜调制幅度影响较小,均在60%~64%之间;但是循环稳定性随着氧分压增加,先增大后减小,当氧气流量为13 sccm时达到最佳;同时,随着氧分压增加,薄膜着色、褪色响应时间变短,薄膜变色速率增加。WO_(3:)Ti与WO_3相比:WO_3薄膜着色前后存在从单斜相到立方相的转变,WO_3:Ti着色前后均为立方相;同时,WO_3:Ti薄膜变色前后晶格应变、表面粗糙度变化小,说明掺Ti后变色过程所需克服的能量势垒小。因此掺杂Ti在没有影响WO_3变色幅度的同时,WO_3:Ti着色、褪色响应速度明显增快,反应储存的电荷量增多;循环多次后电流衰减变小,循环稳定性增加;薄膜循环寿命提高。
【学位授予单位】:中国建筑材料科学研究总院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB383.2

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