有关发展电致变色窗玻璃的最新研究 |
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| 文献类型:pdf 和 txt | 出版时间:1989 | | 作者:Goldn.,R | 关键词:电致变色 窗玻璃 多层结构 | | 期刊名称:光电子技术.1989,9(1).-56-61 | 全文长度:8351个字 | | 文献来源:http://www.6lib.com 第六图书馆 | 机构:不详 | | 查看次数:105 | 分类号:TQ171.742 | | 全文: 有关发展电致变色窗玻璃的最新研究
第六图书馆电致变色窗玻璃多层结构光电子技术Goldn.,R不详1989第六图书馆
有关发展电致变色窗玻璃的最新研究
[摘要]l文辑违了有关用于电致变色窗玻璃的一种固体多层结构及各膜层 奉的最新研究结果,其中包括制造窗玻璃时这种多层结构的要求条件,尤其是需要有
一
个在电化学上平衡的系统。结果表明t在多晶WO 膜(电致变色层)中超额的
自由电子散射,不仅是反射率调制低于理想值的根源,而且是吸收率调制高于理想
值的主要根源。有关LiFA1 的研究结果表明,就作为离子导电层来说,它是一种
可行的选择材料,因为它既是一种良好的Li子导电体,又是一种良好的电子绝 离缘体。最后,我们近来发现掺锡和未掺锡的I0膜是混合型导电体,因为它们表 Ⅱ: 现出既能注入Li子又能吸出Li子。这个结果很有意义,因为这种膜将有可能 离离作为背电极『又作为透明导电层来使用,从而可减少电致变色窗玻璃整体的复杂 可时
性,技术问题、以及成本。
1.
言
可变反射率的电致变色窗玻璃的用途之一,就是通过自动改变穿过窗玻璃的辐射能量来
控静室内的温度。本文将讨论对早先已作详述的多层薄膜龉构的各膜层所取得的有意义的最 j新研究结果:j ,其中包括评进这种多层结构的基本电化学要求。我们将看到,有许多证蠕
极有利地表明实用型的固体电政变色窗玻璃将会在不久的将来实现。
2.多屡结构的评述
。l
圈 为早先提出的用于电致变色(“敏感”)窗玻璃韵多层固体结构I意图¨】由此 示。
人们希望这种结构在电化学上,光学上,应该是可逆
(_————————]
T 的cj从而,也应该具有较高的,稳定性,并能够重复循
r一一一一一一1 环。图1中所示的五层是:两个透明导电(C,)疆T 。, )‘————————.——).其中间夹有一个电致变色层(C) E,一个离子导电层 卜 —————_—— 一’I,和一个背电极层(E)e(C)C。E和C层必须是 EL一一…一—l一 电子和离子的混合导体,I层仅仅是一种离子导电体。但c I 2这就是说,EC和CE层必须是离子注入/吸出材料。
这也意昧着EC层和CE层应尽可能兼有TC(电子导 即
盥c釜{攫 氅变电)韵能因这层必是子龟,时} 警舄 致层功,为两都须电导体刷 蠡 磊I ;磊又离导体选向率后将次论 ‘嚣l 擎耨是子电。个题文覃再讨。
r(k例如,c和E,,E) T cTC ̄C。我们知道,就EC屠来说,设它疆一种阴极着色
R..01e e a1,“ee rsac fatdt t deBGdnrt. Reateerhele oheve1pre o ̄nt
of el oc-er h1ct0mi widows,Cn” S01 arnr matr ,14(18 Eegy is ea1 6),PP.9
1523 ~0.0
一
像正才
译
是正华
校 。
5— 6
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的电致变也材料如WO。其半 元(化还原)反应姓:,氧 EC着色
(EC)十xM -Fxe==二!M (EC)一
,
(】)
EC消色
.
商秣(1)中,EC可以是WO。M 以是H LiNa子中的一种,e代表一 ’可、 、 离一
个电子。
同样,在CE屡上,必须同时发生一个平衡的半单元(氧化还原)反 ;
一 .
’着色 EC
M r(EC)=二二二xM 十xe二三一十M 一(CE) (2)
EC消色 ·这两种半单元反应的平衡如图2所示 合在一起,两个半 露瓣锯形成一个可逆的电化 学系统。与此相对照的是不用混合型导电 消龟 着色 体作背电极的结构,倒如,使用金属电极
(郎电子导电体)结构。这种结构通常的 需要水。因 ,它们强常受到金属电极上
或其附近水的电解所侵蚀而产生不可逆性
工二 =
比
和不稳定性。这种不可逆性和不稳定性将
会导致释放气体 及可能引起损坏。人们
已经证实,这种结构需要犬气中的水来补 充,这就进一步指出不可逆化学反应的存 图2 表示窗色窗璃着色8致变玻 治色时电 流连
在。这种不平衡结构中的电化学反应发生
簪以及电荷补偿的示意图。牲
在金属电极咐辑,可用简单的半单元反应式(3)(4)和来模拟。
WO。着e:
WO消色:
2H +2一÷H e_2(气体)
(4)
。
H:O一2 +2一He十舌O:(气体)
(3)
3、.有关Ec屡研究田■l结果 赫
奄Tut大学,f s研究集中于测定一种能够制造电致变色窗玻璃的可行性Ec材料,用其 甜作的这种窗玻璃能以反射率可完垒变化的方式(与吸收率可完全变化的方式相反,也就象以
前戈赫[—4中所叙述的那样) -]可逆地工作。早先,我们已经指出,在多晶wo膜中反射率词 。制穆度的限制是冉于存在扩展缺陷面引起的超额电子散射[如果仅发生离子化的杂质散 5
射,么着色时近红外区的反射率接近9Z应该是可以获得的( 那o以作H,擞目前所观测到的值 约为6%)最近,们测定得知,额的自由电子散射不仅导致了近红外区的反射率低于理想 0。我超值,而且这种散射也是产生不希望有的吸收的主要根源。因此,减少自由电子的散射将既可 以获得较高的反射率调制,又可以获得较低的吸收率词制。两种实验都得出这样的结论,支
配多晶WOs 光学性能的正是自由电子的动办学特性。这两种实验的结果如图3和图4所示。 第一组实验,把压制的woa 粉末热蒸发到覆盖有氧化锢锡(T的玻璃基片上,基片 IO)温度保持在大约401℃。沉积两种不同厚度的 WOa品。在通入氧气之前,系统压 0 ̄45— 样强{至1 托以下。再通入氧气使系统压强下降到1IOll毫托左右,之后开始(反应)沉积。沉
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积速率约1/。样品厚度约为0501g,我们分别称之为“As.种.5in厚 膜与“薄 膜。Li 离子注入/吸 是把样品放在带有一个碳背电极的1M高氯酸锂(LiO 稀碳酸盐 CI )
(Prp1n roi oyeeCabFe)溶液中进行的。约2V的恒电压用来双注入(样品为负极)或 at
吸出(品为正极)子和补偿电荷Li传输电荷是通过用电子学方法积分电流来监测的。样电 反射率和吸收率是在每个样品注入或吸出约1mC/m 测量的,如图3所示。由于底下的 5c时ITO层可能存在电致变色效应_】摸拟这种 日,系统有困难,因此我们无法就这些结果研制一 个可定量计算自由电子模型。然而,从定性上 看,由于薄膜样品无论是吸收率调制还是反射 率调制都比厚膜样品要大,时又是注入/出 同吸相同数量的电荷,我们推想光学调制基本上是
一
个自由电荷密度效应。也就是说,相对于固
定数量的注入电荷(相应的着色中心),如 或果吸收的变化仅与束缚载流子(着色中心)有
冈8两种不同厚度的cWO 上Li的着 ·a膜:色实验 1l“薄”膜(0.5,),1.tm 2l“”膜(0Sm),Al吸收 厚.
一
关,那么吸收将与厚度无关。然而,自由载流 子的吸收却与自由载流子的密度有关。这可以
氧R:反射率,Ei]1mCc ̄从使用Drd模型中看出[ 。L+;5/, "mue。
此外,我们希望在等离子体屏蔽频率以上,Drd模型的阻尼指数与散射中心(如,ue例 离子化的杂质,象注入的Li的密度成比例。这种注入中心的密度与样品的厚度成反比。因 )
此,如果自由载流子的吸收是一个处于支配地位的因子,那么较厚样品的吸收率A(^)则
可能较小。最后,由于自由载流子的反射率R(^)随着等离子体频率0)增加而增加,而 的(P^E。 (n]=自由电子密度(nmbrm。),又因为较薄样品中[ Dvn]E u /en]较大(对 相于注入相同数量的电荷来说),因此,较薄样品中R(^)也就较高,而限制R(^)的因素 也就是自由电子的散射(阻尼)这也是导致自由载流子吸收的根本原因。, 第二组实验,使用反应射频溅射方法沉积在加热、裸露的熔化石英基体上的WO。晶 多膜。沉积条件为,氧分压=7mTor氩分压=3rTot射频功率=20,基体温度 r, er,0W
452℃,沉积速度 1A/。 s
这种膜是用“CRA技术 者色的 】把膜浸在稀硫酸溶液中,并用锢导线与膜连接。。
这样,电子(通过铟导线可自由进入溶液)在铟膜界面上被注入,而后,与来自电解质横向 扩散的质子(H )同时扩散进入膜中。测量出反射率R() 和透射率T(), 即可求出吸收
率,():1T(一R() ^一^)^。结果如图4()a所示。把所测量到的R()^拟合
于Drd模型的方程(5)、(6)、(7)以及{ue
n =2
1Ee( ̄ £
z
), +B) ]
K=(zE2-E) 告[£+ )¨一"] 2 1
Fe1式¨D e型的程 rs关系 。r模方毫:
,
.
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∞
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m’
0 0
)
(7)
[n=折射率(应于复数折射率的实部),K=消光系数(复数折射率的虚部),s:对 ,
=
电介质响应函数的实部和虚部,e为。中的束缚载流子成分( 相对常数), 盛等离子体 ∞
未屏蔽频率,∞=光子频率,r=阻尼参数,[ n]=自由载流子密度,q:电子的电荷,112
=
自由电荷的有效质量,以及。=真空介电常数] 。。
由此可得到Drdue指数为:E: ∞p.2V,Err=11e=39e=青.2V,£ =41 (=.1
PJnk c常数/ )。厚约为10A,基 a2膜 04体折射率为14。拟合曲线记为R,如图 .54所示。仅用这些Drd指数,就可同时 bue计算出透射率和吸收率。其结果分别如图
4中T和A所示。溅量结果(图4和计 ba)
算结果(图4b)之间定性一致说明A (^)主要是自由载流子吸收的结果。 由这两种实验的结果我们可得出以下
结论,电致变色cWO。的光学性能是 -膜
受自由载流子特性支配,而且,经典的 Drd模型很好地解释了许多光学特性。ae 4.有关IB ̄究的●断结果 CI有人[已经发现。A1 LiF.似乎是一
种良好的锂离子导体。所以,我们开始了 测定图1结构中使用这种膜的实用性研
究。我们近来的研究包括,在低于1 托 0压强以下,使用未加热和加热的各种基 片,用热蒸发的方法物理沉积这种膜(以
图4( a)在一个质子着色10A的cWOs40—膜 (S一21—4)上所测得的反射率(R),透射率 A1—18(T)屣嗳收率(A) (b)由拟合于图4a反 中射率(敛据隶得的Drd ̄R)ue计算的吸收率( A)和透射率(T)。[D^d指数Ie Er=11El ,.2 a 0
(E=光子能量,归一化为le)J V Ep:3船e .V,E.ln基体=14,=41 .5 3
一
不同的速率.)。使用电荷传输和其它技术 来评价膜的特性。图5所示的是一种很有
用的技术,我们称之为Arolu l技 ndse1g术 。它是前面所提到的RCA技术 。 的一种延伸}它为从定性上判断这种膜是 否为良好的离子导体和电子绝缘体提供了
一
个既简单又迅速的方法。种技术含有 -这
个三阶段过程,并且需利用一块覆盖WOa 的基片,其中一部分被KiFA1 所覆盖,如图
所示。我们把一个锌电极浸在一小电解槽中,电解质为1Li0 M C1 丙烯碳酸盐。在锌电 极上:Z-n+2e,这样在锌的表面上就可以提供自由电子。如果这种电极一n ̄Z 一电解质槽
仅覆盖WO。自由电子就被注入到W0中,并在其内扩散,与此同时,膜中也存在被注入 ,
一
5— 9
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并扩散的Li,作为补偿电荷。当电子扩澈较慢时,着也波前以(向的)也予扩散谜率 侧
前移动,直至达到电解质槽的界面为止。这种情况如图5中阴影线所示。 如果把电解质槽放在一适当位置,以致电 41. it-
.
解质部分覆盖WO。Li1 同时,如果 和AF,
,
黧
Ҭj
“‘ Ⅲtu“ 面为止,因此, 。“- 1处于LiF之下的WO也被 A1。3
着色。鉴于这是我们所观测到的实验现象,我
们推断,从定性上来看,LiF‘一种良好 A1是的Li子导体。当把电极一离电解质槽放在另一
图5从定性上测定LiF作为一种离子 A1 导体(C)电解质(=Cl ILiO丙烯碳酸盐 的
质?元竺 。电 竺 单登毫“ 由子 反应
’z:。上得 e获的-
解适当置,以极和电质仅i1。 位致电解与LAF相
-
。;子则 ,
下就观测不对着色现象。这恰好就是我们使用比较厚的Li1膜(o7 ̄)观测到 AF。 .5t所m韵绪果。由此我们就可以有力地认为,定性止来看,Li1 也是一种良好的电子绝缘体,从AF 或者,至少锌与LiI AF的接触是一种非欧姆接触。目前,我们正在进行与频率相关的阻抗 测量和分析,以便更好地从定量上测定这种膜作为电子绝缘体的优良程度。 5.有差CE层研究的量者结果 }壤近,疆们已报道,发现掺锡和未掺锡的氧化铟膜都是锂离子注入/出材料,并且,吸 由于意外地观察到微弱的电致变色效应(即在近红外医的透射率有很小的变化),这种膜将 有可能作为背电极同时又作为透明导电层来使用。由Ca等人[¨完成的电化学实验的结 ogn1
果指出,这种膜茬 锡变得较少时具有高度的可逆性,这就表明可能存在一种s离子被Lin
离子还原脱氧的趋势,这种趋势将导致产生较低氧化态的锡氧化物。于是,我们近来已集中 力量研究I 膜,其目的是为了更好地了勰和描述Li子注X/nO。离吸出机理,并且,如果其 导电率高,足以适用于实用的电致变色窗玻璃,测定这种材料是否可以作为一个组合型的背
电极透明导电层来使用。 值得注意的是,即使在消色状态 VO。 ̄也是一种良好的电子导体,因此我们可以有力 地认为EC层和TC层的功能也可以用一个单层来完成。所以,通过这些发现,我们可以推 断,图1中的多层结构有可能减少为一个3结构,从而就可以大大地减少这种窗玻璃整体 层的复杂性、技术问题以及成本。
’ );【 j
6.结
论
对早先提出的用于电致变色窗玻璃的多层结构备膜层所取得的最新 究结果表明,实
用型的电致变色窗玻璃将会在不久的将来实现,对各个膜层来说珊已有可行的选择材料,并 且,或许能够把不同类型的膜层的数量减少副4层,也可能3。随着进一步的研究,人们 层
期待着更好地了解现存的,以及将来的问题,这些问题的桶央将会促进高度可逆性、稳定性
好,寿命长的实用型窗玻璃的研制。 ,
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参
考
文
献
[1R.,laWadRD.u,cSI 2(9¥3tSa Eeg ]BG0de n. RahP∞.PE481 ̄)f 21rary
Matr1e.1(18)7Ind9417 a R..DRauh and R.B.Go1ne,Lihtod一dr Mg 11i11ato1 DecePatntvj,e Pendi11g(1894). [2]R.GoIle,D..ede1oh1,JAlxaB.dlrHMl s1.ende,W.Hedron,D.rR.les
Fiztpatik,T..aasH..r cEH,HSample,R..DRah,M..ake andlAPrr
T.Ros,App1PhysLet4L.e..t.3(t83)19.903
[3]D.Med10 n R.Golnr.et ̄ceSc1118郫Z H.ne 1adSB.de,JElcrhm.o.3(9蝴.
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