CN111039573A - 一种wo3电致变色薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电致变色薄膜的技术领域,公开了一种WO3电致变色薄膜及其制备方法。所述方法:1)采用浓氨水将纳米氧化钨配成前驱体溶液;2)将前驱体溶液滴加至转动的衬底上,滴加完后,加大衬底的转速继续旋转,获得薄膜;3)将薄膜进行预退火;4)将预退火后的薄膜在空气氛围中进行快速退火,获得WO3电致变色薄膜。本发明的方法简单,原料成本低,溶液稳定性高,制备的薄膜均匀平滑,而且薄膜电致变色性能好。

Description

一种WO3电致变色薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于电致变色薄膜技术领域,具体涉及一种WO3电致变色薄膜及其制备方法。
背景技术
氧化钨(WO3)被认为是目前最具有商业应用价值的电致变色材料,已经在国外市场上获得了初步的应用。其制备技术有磁控溅射法、热蒸发法和溶胶凝胶法等。其中磁控溅射法是目前商业上应用的生产工艺,存在制备成本高昂的问题,热蒸发法制备的薄膜稳定性较差,大尺寸制备成本高昂。而溶胶凝胶法具有设备简单、操作方便、性价比高、无需真空环境、可大面积成膜等优点,有望替代磁控溅射法成为电致变色“智能窗”的主流生产工艺。目前已报道的溶胶凝胶法制备氧化钨电致变色薄膜的前驱体材料有:过氧钨酸、氯化钨、钨酸钠等,溶剂选择有:水、一元醇、二元醇和醇醚等。然而,当前溶胶凝胶法存在溶液稳定性差、前驱体和溶剂成本高、制备过程中有毒成分挥发等问题。而且常规溶胶凝胶法制备的非晶态氧化钨薄膜存在以下问题:1)有机物成分在25℃~300℃退火下无法去除,影响电致变色性能的问题;2)氧化钨前驱体物质在25℃~300℃退火下只能部分转化为非晶氧化钨,不能充分发挥非晶态氧化钨薄膜的优良变色性能;3)在大于300℃退火下,前驱体物质基本可以转变为氧化钨,但是氧化钨开始由非晶态转变成结晶态,电致变色性能下降。
因此需要开发出稳定、低成本的溶液体系和工艺来制备氧化钨电致变色薄膜。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处,本发明的首要目的在于提供一种WO3电致变色薄膜的制备方法。
本发明的另一个目的在于提供一种通过上述方法制备得到的WO3电致变色薄膜。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种WO3电致变色薄膜的制备方法,包括以下步骤:
1)采用浓氨水将纳米氧化钨(即三氧化钨)配成前驱体溶液;
2)将前驱体溶液滴加至转动的衬底上,滴加完后,加大衬底的转速继续旋转,获得薄膜;
3)将薄膜进行预退火;
4)将预退火后的薄膜在空气氛围中进行快速退火,获得WO3电致变色薄膜;
所述快速退火是指以40℃/s~50℃/s的升温速率升温至200℃~250℃,保温30s~60s,再以10℃/s~20℃/s的升温速率继续升温至300℃~350℃,保温60s~90s,最后10℃/s~15℃/s的降温速率降至室温。所述预退火的温度为110℃~120℃。所述预退火的时间为10~20min。
所述转动的衬底的转速为1500rpm~2000rpm,所述继续旋转的转速为3000rpm~4000rpm;所述前驱体溶液滴加的速率为10μL/s~20μL/s。
所述继续旋转的时间为60s~90s。
所述前驱体溶液的pH为11~14。
所述前驱体溶液具体通过以下步骤得到:
将三氧化钨与浓氨水混合,搅拌,超声处理,调节pH至11~14,获得前驱体溶液;所述调节pH至11~14是指采用浓氨水调节。所述三氧化钨(纳米氧化钨)与浓氨水的质量比为1∶(3~4)。浓氨水的质量分数为22~25%。
所述搅拌的时间为24h~48h。所述超声处理的时间为10min~15min。
所述WO3电致变色薄膜通过上述方法得到。
本发明的制备方法及所得产物具有如下优点及有益效果:
本发明采用水作为溶剂,与常规采用有机溶剂的溶胶凝胶法相比,具有原料成本低、溶质高度分散、溶液稳定性高等优点。本发明的涉及旋涂工艺可以解决水溶液成膜性差的问题,制备的薄膜均匀平滑。本发明涉及的快速退火工艺和常规退火工艺相比,具有节省退火时间,降低能耗等优点。本发明采用快速退火工艺,可以在较高温度下(大于300℃)制备出非晶态的氧化钨薄膜。本发明的薄膜电致变色性能好。
附图说明
图1为实施例1所得薄膜AFM形貌3D图像;
图2为实施例1所得WO3薄膜变色照片;a为初始态照片,b为着色态照片,c为褪色态照片;初始态为刚刚快速退火制备的薄膜状态;着色态为以氧化钨薄膜为阴极施加2.5V电压、通电30s后的薄膜状态;褪色态为以氧化钨薄膜为阳极施加2.5V电压、通电30s后的薄膜状态;
图3为实施例1所得薄膜初始态、着色态和褪色态透射率曲线;初始态为刚刚快速退火制备的薄膜状态;着色态为以氧化钨薄膜为阴极施加2.5V电压、通电30s后的薄膜状态;褪色态为以氧化钨薄膜为阳极施加2.5V电压、通电30s后的薄膜状态;
图4为实施例2所得薄膜初始态、着色态和褪色态透射率曲线;
图5为实施例4和对比例1的薄膜X射线衍射图谱对比;
图6为对比例2的薄膜表面光学显微镜形貌,放大倍数为10倍。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将纳米氧化钨(纯度:99.8%,麦克林)和浓氨水(质量分数:25%,广州化学)按1∶4的质量比混合;
(2)将步骤(1)所得溶液置于磁力搅拌台上搅拌24h;
(3)将步骤(2)所得溶液采用超声振荡处理10min;
(4)将步骤(3)所得的溶液用浓氨水调节pH到12,得到前驱体溶液;
(5)在手套箱内,在洗净的ITO玻璃衬底上旋涂制备薄膜。先将衬底以1500rpm转动,随后将前驱体溶液以10μL/s的滴液速度滴加到转动的衬底表面,直到溶液完全铺满整个衬底,停止滴加溶液,然后调节旋涂转速至3000rpm,持续旋涂60s;
(6)在手套箱中将步骤(5)获得的薄膜以120℃的温度进行预退火10min;
(7)将步骤(6)预退火后的薄膜采用快速退火炉在空气氛围中进行快速退火,先以50℃/s的升温速度升温,达到200℃后维持60s,再以20℃/s升温,达到300℃后维持60s,最后以10℃/s降温速率降至室温。
所得薄膜厚度为90.5±5nm,采用AFM扫描实施例1所得薄膜形貌,结果如图1所示,薄膜粗糙度为0.8nm。
对实施例1所得薄膜进行电致变色测试,电解质为0.5mol/L高氯酸锂-碳酸丙烯酯-UV固化胶固体电解质,驱动电压2.5V,所得WO3薄膜变色照片如图2所示。相对于空气的透射率调制曲线如图3所示。以550nm波长作为参考波长,薄膜的初始态透射率为79.3%,着色态透射率为35.2%和褪色态透射率为77.1%,光调制能力为41.9%,能够有效阻挡热辐射透过,表现出良好的电致变色特性。
图1为实施例1所得薄膜AFM形貌3D图像;图2为实施例1所得WO3薄膜变色照片;a为初始态照片,b为着色态照片,c为褪色态照片;初始态为刚刚快速退火制备的薄膜状态;着色态为以氧化钨薄膜为阴极施加2.5V电压、通电30s后的薄膜状态;褪色态为以氧化钨薄膜为阳极施加2.5V电压、通电30s后的薄膜状态;图3为实施例1所得薄膜初始态、着色态和褪色态透射率曲线;初始态为刚刚快速退火制备的薄膜状态;着色态为以氧化钨薄膜为阴极施加2.5V电压、通电30s后的薄膜状态;褪色态为以氧化钨薄膜为阳极施加2.5V电压、通电30s后的薄膜状态。
实施例2
与实施例1中(1)~(4)溶液处理、(6)~(7)退火处理的步骤一致,不同在于步骤(5):在手套箱内,在洗净的ITO玻璃衬底上旋涂制备薄膜。先将衬底以2000rpm转动,随后将前驱体溶液以10μL/s的滴液速度滴加到转动的衬底表面,直到溶液完全铺满整个衬底,停止滴加溶液,然后调节旋涂转速至4000rpm,持续旋涂90s。
所得薄膜厚度为52.5±5nm。对实施例2所得薄膜进行电致变色测试,电解质为0.5mol/L高氯酸锂-碳酸丙烯酯-UV固化胶固体电解质,驱动电压2.5V,所得WO3薄膜变色照片与实施例1相似。相对于空气的透射率调制曲线如图4所示。图4为实施例2所得薄膜初始态、着色态和褪色态透射率曲线。以550nm波长作为参考波长,薄膜的初始态透射率为72.6%,着色态透射率为52.4%和褪色态透射率为69.6%,光调制能力为17.2%。
实施例3
与实施例1中(1)~(6)溶液处理和预退火处理的步骤一致,不同在于步骤(7):将步骤(6)预退火后的薄膜采用快速退火炉在空气氛围中进行快速退火,先以40℃/s的升温速度升温,达到200℃后维持60s,再以10℃/s升温,达到300℃后维持60s,最后以10℃/s降温速率降至室温。
本实施例较实施例1和2采用了较低的升温速率,所得薄膜厚度为86.2±5nm。对实施例3所得薄膜进行电致变色测试,电解质为0.5mol/L高氯酸锂-碳酸丙烯酯-UV固化胶固体电解质,驱动电压2.5V,通电时间30s。以550nm波长作为参考波长,薄膜的初始态透射率为78.9%,着色态透射率为41.6%和褪色态透射率为73.9%,光调制能力为32.3%。
实施例4
与实施例1中(1)~(6)溶液处理和预退火处理的步骤一致,不同在于步骤(7):将步骤(6)预退火后的薄膜采用快速退火炉在空气氛围中进行快速退火,先以50℃/s的升温速度升温,达到250℃后维持60s,再以20℃/s升温,达到350℃后维持60s,最后以10℃/s降温速率降至室温。
本实施例较实施例1、2和3相比,采用了较高的温度,所得薄膜厚度为85.3±5nm。对实施例4所得薄膜进行电致变色测试,电解质为0.5mol/L高氯酸锂-碳酸丙烯酯-UV固化胶固体电解质,驱动电压2.5V,通电时间30s。以550nm波长作为参考波长,薄膜的初始态透射率为83.1%,着色态透射率为37.6%和褪色态透射率为76.2%,光调制能力为38.6%。
对比例1(传统退火制备薄膜)
与实施例1中(1)~(6)溶液处理和预退火处理的步骤一致,不同在于步骤(7):将步骤(6)预退火后的薄膜在空气氛围中进行传统退火。在将薄膜放在热台上,设定热台温度为350℃,热处理时间为2h,之后关闭热台待其自然冷却至室温。
对比例1所得薄膜的厚度为85.4nm±5nm。对对比例1所得薄膜和实施例4进行X射线衍射测试,测试结果如图5所示。图5为实施例4和对比例1的薄膜X射线衍射图谱对比。与标准图谱卡片比对后可以发现,实施例4中虽然实际退火温度达到了350℃,但衍射图谱中没有出现氧化钨的结晶峰,而对比例1的衍射图谱中出现了尖锐的氧化钨的结晶峰。结晶的氧化钨薄膜变色性能较差。进一步将对比例1的薄膜进行电致变色测试,电解质为0.5mol/L高氯酸锂-碳酸丙烯酯-UV固化胶固体电解质,驱动电压2.5V,通电时间30s。以550nm波长作为参考波长,薄膜的初始态透射率为79.5%,着色态透射率为58.3%和褪色态透射率为71.2%,光调制能力为12.9%。
对比例2
与实施例1中(1)~(4)、(6)~(7)溶液处理和预退火处理的步骤一致,不同在于步骤(5):在手套箱内,在洗净的ITO玻璃衬底上旋涂制备薄膜。以800rpm的恒定转速使衬底转动,随后将前驱体溶液以10μL/s的滴液速度滴加到转动的衬底表面,直到溶液完全铺满整个衬底,停止滴加溶液,持续旋涂60s。
对比例2所得薄膜的厚度为135.4nm±5nm。采用光学显微镜观察对比例2的表面形貌,结果如图6所示。图6为对比例2的薄膜表面光学显微镜形貌,放大倍数为10倍。
从图6可以看到,如果只采用低转速,所得薄膜表面缺陷较多,不适合用于电致变色器件。
对比例3
与实施例1中(1)~(6)溶液处理和预退火处理的步骤一致,不同在于步骤(7):将步骤(6)预退火后的薄膜采用快速退火炉在空气氛围中进行快速退火,先以5℃/s的升温速度升温,达到200℃后维持60s,再以5℃/s升温,达到300℃后维持60s,最后以5℃/s降温速率降至室温。
本对比例的升温速率与常规热台的升温速率相当,因此升温和降温时间较长,效果与常规退火基本无差别,所得薄膜厚度为84.9±5nm。对所得薄膜进行电致变色测试,电解质为0.5mol/L高氯酸锂-碳酸丙烯酯-UV固化胶固体电解质,驱动电压2.5V,通电时间30s。以550nm波长作为参考波长,薄膜的初始态透射率为83.5%,着色态透射率为56.6%和褪色态透射率为71.8%,光调制能力为15.2%。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种WO3电致变色薄膜的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)采用浓氨水将纳米氧化钨配成前驱体溶液;
2)将前驱体溶液滴加至转动的衬底上,滴加完后,加大衬底的转速继续旋转,获得薄膜;
3)将薄膜进行预退火;
4)将预退火后的薄膜在空气氛围中进行快速退火,获得WO3电致变色薄膜;
所述快速退火是指以40℃/s~50℃/s的升温速率升温至200℃~250℃,保温30s~60s,再以10℃/s~20℃/s的升温速率继续升温至300℃~350℃,保温60s~90s,最后10℃/s~15℃/s的降温速率降至室温。
2.根据权利要求1所述WO3电致变色薄膜的制备方法,其特征在于:所述预退火的温度为110℃~120℃;
所述转动的衬底的转速为1500rpm~2000rpm,所述继续旋转的转速为3000rpm~4000rpm。
3.根据权利要求1所述WO3电致变色薄膜的制备方法,其特征在于:所述前驱体溶液的pH为11~14。
4.根据权利要求1所述WO3电致变色薄膜的制备方法,其特征在于:
所述前驱体溶液滴加的速率为10μL/s~20μL/s;
所述预退火的时间为10~20min;
所述继续旋转的时间为60s~90s。
5.根据权利要求1所述WO3电致变色薄膜的制备方法,其特征在于:所述前驱体溶液具体通过以下步骤得到:
将三氧化钨与浓氨水混合,搅拌,超声处理,调节pH至11~14,获得前驱体溶液。
6.根据权利要求5所述WO3电致变色薄膜的制备方法,其特征在于:所述三氧化钨与浓氨水的质量比为1∶(3~4);
浓氨水的质量分数为22~25%。
7.根据权利要求5所述WO3电致变色薄膜的制备方法,其特征在于:所述调节pH至11~14是指采用浓氨水调节。
8.根据权利要求5所述WO3电致变色薄膜的制备方法,其特征在于:所述搅拌的时间为24h~48h;所述超声处理的时间为10min~15min。
9.一种由权利要求1~8任一项所述制备方法得到的WO3电致变色薄膜。
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