CN115128877B - 基于氮化锂离子传导层的电致变色器件及其制备方法 - Google Patents

基于氮化锂离子传导层的电致变色器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于氮化锂离子传导层的电致变色器件及其制备方法。所述电致变色器件的结构为由依次排布的第一透明导电电极、电致变色层、Li3N‑AlLi复合离子传导层、离子储存层和第二透明导电电极构成的多层膜结构，所述Li3N‑AlLi复合离子传导层通过对形成于所述电致变色层表面的AlLi合金层用N2等离子体进行刻蚀而得。

Description

基于氮化锂离子传导层的电致变色器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及基于氮化锂离子传导层的电致变色器件及其制备方法。
背景技术
能源是维持国家经济持续发展、保障人民物质生活水平的重要基础。如今，能源短缺、环境污染等问题日益严峻，科学家在开发新能源的同时也在努力寻找节能降耗的方法。建筑是人类进行生产生活活动的主要场所之一，在人类生产生活总能耗中，建筑能耗占有很大比例，而在建筑能耗中，用于改善建筑舒适度的照明和空调系统的能耗，在建筑总能耗中所占的比例超过75％。这两部分的能耗都与门窗玻璃有关，因此开发具有节能效果的建筑玻璃是实现建筑节能的重要途径。目前的建筑玻璃控制能量损失的方式是静态的，例如在红外波段具有高反射率的Low-E玻璃，能阻止红外线透过窗户；中空玻璃，利用空气导热系数低来减少室内外之间的传导散热。上个世纪80年代，科学家基于电致变色材料，提出了“智能窗”的概念——一种主动调控可见和近红外透射光线强弱的建筑窗体结构材料，能够根据室内外环境的差异动态调节射入室内光线的强弱，减少空调和照明系统的使用，与Low-E、中空玻璃组合在一起可以达到更好的节能效果。电致变色材料的性能决定了“智能窗”调节光线能力的强弱，电致变色材料也因此引起了广泛的重视。电致变色是指材料的光学属性，如透过率，反射率在低电压驱动下发生可逆的颜色变化现象，在外观上表现为蓝色和透明态之间的可逆変化。电致变色作为如今研究的热点，应用领域广。电致变色器件及技术主要应用于节能建筑玻璃、其他移动体车窗上、汽车防眩后视镜、显示屏、电子纸、隐身伪装等领域。Low-E是低辐射玻璃通过降低红外和可见光透过率进入室内的能量，但是其牺牲了室内采光和增加了冬天取暖能耗。中空玻璃是提高隔热系数，减少室内和室外的热交换。但是其不同调节颜色，对隐私没有保护。这两种以及组合均是单向调节。
如图1所示，传统电致变色器件主要由五层薄膜组成、包括两层透明导电层、离子储存层、电致变色层、以及离子传导层。其中，离子储存层辅助电致变色层在第一，第二导电层上施加低电压实现电致变色反应。离子传导层是提供锂离子及扩散薄膜层，担负着电场作用下确保离子传导率，其结构与制备工艺是保证器件电致变色性能的最重要的技术之一。电致变色器件主要分为液态电致变色器件和全固态电致变色器件，液态电致变色器件的封装、漏液等问题。
传统的电致变色器件往往采用LiTaO3作为离子传导层，然而其离子传导效率较低。更麻烦的是制备LiTaO3需要采用LiTaO3陶瓷靶材，通过射频磁控溅射进行沉积，这种方式的沉积效率非常低，满足最低要求的40nm都需要溅射1.5h，极大地限制了电致变色器件的大规模生产。
发明内容
本发明针对现有技术中电致变色器件中离子传导效率和生产效率较低的问题，目的在于提供一种生产周期短、电致变色性能提高的电致变色器件。
第一方面，本发明提供一种电致变色器件，所述电致变色器件的结构为由依次排布的第一透明导电电极、电致变色层、Li3N-AlLi复合离子传导层、离子储存层和第二透明导电电极构成的多层膜结构，所述Li3N-AlLi复合离子传导层通过对形成于所述电致变色层表面的AlLi合金层用N2等离子体进行刻蚀而得。
本发明设计一种基于Li3N-AlLi复合离子传导层的电致变色器件，AlLi薄膜表面采用N2等离子刻蚀的方法原位生长的Li3N复合薄膜作为离子传导层(通过N2等离子体在AlLi薄膜表面刻蚀)。本发明选择相对稳定的AlLi合金薄膜，再通过等离子刻蚀制备Li3N，这种复合结构的离子传导层不仅具有明显提高的抗氧化性，即稳定性，同时具有更好的电子绝缘性，从而提高的器件的循环性能，且具有优异的调节能力。在电致变色层上沉积AlLi，随后刻蚀获得Li3N，因此Li3N在AlLi薄膜之上。并且Li3N的浓度存在一个向下的梯度减小，这有利于过量的Li离子迁移时起到缓冲作用，有利于提高器件整体的循环稳定性。本发明中采用的N2等离子体刻蚀工艺即可以形成这种深度方向的梯度减小的结构，通过调控刻蚀参数能够调节梯度分布；大量的锂离子可能导致变色层膨胀而发生不可逆的着色，梯度结构分布的离子传导层在高电压下能够有效避免Li+的迁移速度过快。此外，引入等离子刻蚀在AlLi薄膜原位生长Li3N,薄膜之间结合紧密，没有晶界或者缺陷影响锂离子的传导。本发明的电致变色器件可在智能窗、汽车后视镜、显示屏、电子纸、智能可穿戴领域中应用。
所述Li3N-AlLi复合离子传导层的厚度可以为20-100nm。离子传导层厚层减小能够进一步减小锂离子的迁移距离，从而提高响应速度，且降低制备成本，缩短制备周期。通常增加厚度为了提高器件内部的电子绝缘性，本发明的电致变色器件的Li3N-AlLi复合离子传导层电子绝缘性优异，因而可以缩小厚度。
所述Li3N-AlLi复合离子传导层可以具有厚度为20-40nm的Li3N层。
所述电致变色层的材料可以为WO3－x、MoO3－x、或TiO2。
所述离子存储层的材料可以为NiOx、LiNiOx或V2O5。
所述第一透明导电电极和/或第二透明导电电极由选自FTO导电层、ITO导电层、AZO导电层、ATO导电层的一种导电层和透明基底构成，或由金属纳米线构成。
优选地，所述电致变色器件循环寿命在2万次以上，响应速度可小于5s。更优选地，所述电致变色器件循环寿命在5万次以上，调节范围75％～1％，响应速度小于3s。其中，在施加循环的正负电压的情况下，调节范围指光谱范围内某个波长能够调节的最大差值，响应速度指从着色态到褪色态所需要的时间。例如所述调节范围为施加-2V-0V-2V-0V的循环电压时褪色态和着色态的透过率变化范围，所述响应速度为施加-2V-0V-2V-0V的循环电压时由着色态变为褪色态时的时间。
第二方面，本发明提供一种制备上述任一种电致变色器件的方法，包括以下步骤：
(1)在第一透明导电电极表面沉积电致变色层；
(2)在所述电致变色层表面制备AlLi合金层，对形成于所述电致变色层表面的所述AlLi合金层用N2等离子体进行刻蚀，得到Li3N-AlLi复合离子传导层；
(3)在所述Li3N-AlLi复合离子传导层表面制备离子储存层；
(4)在所述储存层表面制备第二透明导电电极。
在AlLi合金薄膜表面采用N2等离子刻蚀的方法原位生长的Li3N复合薄膜不仅具有更好的离子传输效率和更高的含Li量，还能够承载大电压下Li离子的过度迁移，提高器件的循环稳定性。大量的锂离子可能导致变色层膨胀而发生不可逆的着色，梯度结构分布的离子传导层在高电压下能够有效避免Li+的迁移速度过快。根据本发明，器件的循环稳定性和调节能力优异(一些实施例中，可达到75％～1％)。本发明的方法显著减小了离子传导层厚度，缩短锂离子迁移距离，提高器件响应速度，缩短制备周期，降低制备成本。
步骤(2)可以包括：采用直流磁控溅射法沉积薄膜，靶材为AlLi合金靶材靶材，溅射气体为氩气，总压强0.5～1.2Pa，初始基底温度为15～30℃，施加在所述靶材上的直流电源功率为30～200W，沉积时间为5～30分钟；随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为5～20Pa，刻蚀功率为30～180W，时间为1～30分钟。
步骤(2)可以在初始本底真空度低于10-4Pa的系统中进行。
所述AlLi合金靶材中Al与Li的摩尔比可以为(1：9)～(1：1)。
附图说明
图1是传统电致器件的结构示意图；
图2示意性示出本发明一实施形态的电致变色器件的结构。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明涉及基于Li3N-AlLi复合离子传导层的电致变色器件及其制备方法，该器件设计了一种对磁控溅射而得的AlLi合金层用N2等离子体进行刻蚀，Li3N在AlLi合金层表面原位生长的薄膜，基于这种优异的离子传导能力的离子传导层制备电致变色器件。通过优化Li3N分布的结构能够进一步提高离子传导能力，且Li3N的浓度存在一个向下的梯度减小，这有利于过量的Li离子迁移时起到缓冲作用，有利于提高器件整体的循环稳定性。此外，这种具有超薄的离子传导层的器件能够极大地缩短制备周期，降低器件的生产成本，促进实现电致变色器件的商业化应用，可广泛应用于智能窗玻璃，显示屏以及防眩光后视镜等。
本公开的一实施形态的电致变色器件的结构为由依次排布的第一透明导电电极、电致变色层、Li3N-AlLi复合离子传导层、离子储存层和第二透明导电电极构成的多层膜结构，所述Li3N-AlLi复合离子传导层通过对形成于所述电致变色层表面的AlLi合金层用N2等离子体进行刻蚀而得。
Li3N-AlLi复合离子传导层的厚度可以为20-100nm。当Li3N-AlLi复合离子传导层的厚度为20nm以上时，能够使器件膜层具备足够的电子绝缘性，能充分满足电致变色层变色需要的锂含量，抑制调节能力降低。当Li3N-AlLi复合离子传导层的厚度为100nm以下时，离子迁移距离较短使得器件具有优异的响应速度。进一步提高厚度时，响应速度性能提升可能不明显，生产成本提高。对AlLi合金层用N2等离子体进行刻蚀，Li3N-AlLi复合离子传导层中Li3N层厚度可以为20～40nm。Li3N层厚度为20nm以上时，其优异的锂亲和力，能明显提高Li离子的迁移效率。Li3N具有优异的Li亲和力和Li离子迁移速度能够充分满足离子传导层的需求。Li3N层厚度为40nm以下时，其优异的稳定性足够抑制器件在循环的过程中容易与空气中的水氧发生反应导致膜层局部发生粉化、最终影响器件整体的电致变色循环性能。对AlLi层用N2等离子体进行刻蚀，AlLi相对具有较好的稳定性，例如，AlLi合金相比Li金属更加稳定(Li金属过于活泼稳定性相对差)。
第一,第二透明导电电极可以采用透明导电玻璃，具有透明导电层和玻璃层，例如FTO透明导电玻璃、ITO透明导电玻璃、AZO透明导电玻璃、ATO透明导电玻璃。第一,第二透明导电电极也可以采用由Cu纳米线、Au纳米线、Ag纳米线和Al纳米线等金属纳米线。第一,第二透明导电电极的厚度可为100-400nm，方阻可为3-100Ω/cm2，透过率可大于75％。从器件在动态变化的电压下的稳定性和响应速度方面考虑，所述电致变色层的材料可采用WO3－x、MoO3－x、或TiO2等等；其厚度可为300-500nm。离子存储层的材料可为氧化镍(NiOx)、LiNiOx或V2O5，其厚度可为30-300nm。该范围内，相对而言具有最好的电致变色性能，可抑制厚度过薄所致调节能力较弱、以及厚度过厚所致响应速度变慢。使用上述电致变色层和离子存储层的组合可以进一步获得较佳性能。
一实施形态的制备上述电致变色器件的方法包括：在电致变色层表面制备AlLi合金层，对形成的AlLi合金层用N2等离子体进行刻蚀。以下，示例性说明本公开所述基于Li3N-AlLi复合离子传导层的电致变色器件的制备方法。
首先，在第一透明导电电极表面沉积电致变色层。本公开对沉积电致变色层的方法没有特别限制，可采用本领域技术人员熟知的方法。例如，可以通过直流磁控溅射法在衬底(第一透明导电电极)表面制备电致变色层。可以以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为0.5-2Pa，氧分压为1-10％，靶材与基底的距离为8-20cm，初始基底温度为室温(“室温”可以是在15～30℃范围内的温度)，施加在所述靶材上的直流电源功率为50-200W，沉积时间为15-60min，得到非晶结构的无机电致变色层薄膜。需要注意的是本公开中优选非晶结构的氧化钨作为电致变色层，基于这种电致变色层制备的器件呈现出更好的电致变色性能。
接着，在电致变色层上制备Li3N-AlLi复合离子传导层。Li3N-AlLi复合离子传导层通过对形成于所述电致变色层表面的AlLi合金层或Li层用N2等离子体进行刻蚀而得。等离子刻蚀是氮气的等离子体轰击膜面发生反应，使原来的AlLi复合膜变成Li3N。可以采用直流磁控溅射法沉积薄膜。例如，靶材为AlLi合金靶材，溅射气体为氩气，总压强0.5-1.2Pa，初始基底温度为15～30℃，施加在所述靶材上的直流电源功率为30～200W，沉积时间为5～30min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为5-20Pa，刻蚀功率为30-180W，时间为1-30min。整个系统初始的本底真空度可以低于10-4Pa，从而减少杂质气体。可以进行预溅射。整个系统中靶材预溅射的条件可以是：功率50～200W，时间5～30min，气氛为纯氩气，气体压力为0.5～2.0Pa，从而可以提高沉积效率。可以根据实际需要控制薄膜沉积过程中的基板温度。基底初始温度可为室温，制备过程可以对基底加热，加热温度范围为室温～300℃，从而可以提高沉积效率。所述AlLi合金靶材中Al与Li的摩尔比可以为(1：9)～(1：1)，从而可以提高沉积效率。靶材与基底的距离可以为5-12cm。
此外，本公开中磁控溅射沉积所使用的直流磁控溅射系统设备可以包括沉积腔室、进样室、若干个靶头、一个衬底板、一个直流电流、以及一系列的机械泵和真空泵，其中靶头与衬底板成一定角度，相隔一定距离，直流电源连接在靶头上。一些实施例中，将基底超声清洗，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗基材各20min，并用压缩空气吹干。用高温胶带覆盖住一定部分的导电基底作为电极，并固定在衬底托盘上，放入进样室内，打开机械泵抽至5Pa以下，然后打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)已达10-4Pa及以下的溅射室内。可以使整个器件都由磁控溅射完成，根据不同的靶材在腔体中连续沉积所得，分别对应电致变色层、离子传导层、离子存储层和顶电极层。
接着，在所述Li3N-AlLi复合离子传导层表面制备离子储存层。本公开对制备离子储存层的方法没有特别限制，可采用本领域技术人员熟知的方法。例如，可以通过射频磁控溅射法制备离子储存层。离子存储层的材料可为LiNiOx时，可以以镍酸锂陶瓷靶材作为靶材，通入纯氩气和氧气，氧分压为0-10％，压强0.5-2Pa，靶材与基底的垂直距离为5-12cm，托盘的温度保持在室温条件下，开启直流电源(功率为50-200W)，预溅射5-10min，开启挡板，溅射镍酸锂陶瓷靶材，溅射时间60-120min。本公开中由于这种预锂化的LiNiOx作为离子存储层，预锂化不仅能够进一步提高器件整理的锂含量，还能够提高离子存储层的锂亲和力，从而提高锂离子的迁移能力，减少副反应的发生。
接着，在储存层表面制备第二透明导电电极。可通过公知的方法制备透明电极，例如可以磁控溅射或者丝网印刷在表面制备透明电极。可以通过直流磁控溅射法。例如，以ITO等为靶材，溅射气体为氩气，总压强为0.3～1.5Pa，靶材与基底的距离为5-20cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为50～200W或者功率密度为1～4W/cm2，时间1-2h。藉此，制备成全固态电致变色器件。本公开的器件具有良好的电致变色性能，褪色态与着色态对比度高，响应时间短，着色率高，稳定性好，电子绝缘性、锂离子迁移速度和器件电致变色性能提高。复合结构(Li3N-AlLi复合)的离子传导层具有更快的锂离子迁移速度和锂亲和力从而提高器件的响应速度；离子传导层中的锂元素能够补充提高器件中锂的含量，提高器件的调节能力；采用等离子体刻蚀的方法制备Li3N-AlLi复合薄膜可以提高其复合薄膜的电子绝缘性，以及薄膜的稳定性。此外，本公开的器件结构简单，能够通过磁控溅射连续沉积薄膜制备，可抑制以往因薄膜层数较多，很难有效避免制备过程中界面处产生缺陷的情况。
本公开的基于Li3N-AlLi复合离子传导层的电致变色器件由透明导电电极、电致变色层、Li3N-AlLi复合离子传导层、离子储存层和透明导电电极构成的多层膜结构，采用离子传导效率较高的Li3N作为离子传导层，Li3N作为一种快离子导体，具有更好的离子迁移速度，采用N2等离子体刻蚀AlLi合金制备Li3N-AlLi离子传导层，制备方法简单。藉由原位生长，两膜层之间晶界或者缺陷少，有利于离子的迁移。一些实施例中，采用的AlLi合金作为靶材，溅射效率达到200nm/h以上，进而可以缩短器件制备周期。并且这种在AlLi合金薄膜表面采用N2等离子刻蚀的方法原位生长的Li3N复合薄膜不仅具有更好的离子传输效率和更高的含Li量，还能够承载大电压下Li离子的过度迁移，提高器件的循环稳定性。锂离子的迁移效率、界面离子阻抗和器件整体的锂含量影响锂离子的迁移过程，即会影响器件的电致变色性能，改善这几个方面可以提高器件的电致变色性能。可通过调控(优化)刻蚀工艺的各项参数，调节Li3N在AlLi合金表面的厚度和复合分布方式。优化Li3N-AlLi复合薄膜中厚度分布情况，优化刻蚀深度即Li3N的厚度，能够进一步提高电致变色性能。本发明能够提供生产周期短、电致变色性能佳的电致变色器件，可进一步促进电致变色器件的产业化。本发明的电致变色器件可以作为主动型，根据需要实现主动调节例如窗户的颜色，并且是全固态结构的电致变色器件，能满足不同应用场景的使用。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值；
在下述实施例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均为常规试剂、常规材料以及常规仪器，均可商购获得，其中所涉及的试剂也可通过常规合成方法合成获得。
实施例1
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。随后以AlLi(1:9)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为15min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为10min。得到总厚度80nmLi3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为30nm；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极：以镍酸锂陶瓷靶作为靶材，通入Ar和O2，流量比为48:2，压强1Pa，靶材与基底的垂直距离为10cm，托盘的温度保持在室温条件下，开启直流电源(功率为100W)，预溅射5min，开启挡板，溅射镍酸锂陶瓷靶，溅射时间60min；以ITO等为靶材，溅射气体为氩气，总压强为0.3Pa，靶材与基底的距离为10cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W时间1h。最终获得完整的电致变色器件。本公开中优选基于上述条件制备的非晶态的氧化钨作为电致变色层，复合离子传导层和预锂化的镍酸锂作为离子存储层，最终制备的器件具有最佳的电致变色性能。
实施例2
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。随后以AlLi(1:9)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为20min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为10min。得到总厚度100nmLi3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为30nm；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极(同实施例1)，最终获得完整的电致变色器件。
实施例3
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。随后以AlLi(1:9)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为5min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为10min。得到总厚度20nmLi3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为20nm；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极(同实施例1)，最终获得完整的电致变色器件。
实施例4
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。随后以AlLi(1:9)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为15min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为20min。得到总厚度80nmLi3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为40nm；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极(同实施例1)，最终获得完整的电致变色器件。
实施例5
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。随后以AlLi(1:9)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为15min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为5min。得到总厚度80nmLi3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为20nm；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极(同实施例1)，最终获得完整的电致变色器件。
实施例6
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。随后以AlLi(1:1)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为15min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为10min。得到总厚度80nmLi3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为30nm；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极(同实施例1)，最终获得完整的电致变色器件。
对比例1
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。随后以纯Li金属为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为15min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为10min。得到总厚度80nmLi3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为30nm；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极，最终获得完整的电致变色器件。Li合金极为活泼，不适宜直接沉积Li薄膜。
对比例2
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。随后以AlLi(1:9)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为加热至300℃，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为15min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为10min。得到总厚度120nm，Li3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为30nm；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极：以镍酸锂陶瓷靶作为靶材，通入Ar和O2，压强1Pa，靶材与基底的垂直距离为10cm，托盘的温度保持在室温条件下，开启直流电源(功率为100W)，预溅射5min，开启挡板，溅射镍酸锂陶瓷靶，溅射时间60min；以ITO等为靶材，溅射气体为氩气，总压强为0.3Pa，靶材与基底的距离为10cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W时间1h。最终获得完整的电致变色器件。
实施例7
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。随后以AlLi(1:5)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为20min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为10min。得到总厚度100nmLi3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为30nm；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极(同实施例1)，最终获得完整的电致变色器件。
对实施例以及后述对比例所得薄膜进行测试：
着褪色对比度：通过施加-2V-0V-2V-0V的循环电压测试褪色态和着色态的光谱中某一波长透过率的最大差值。其中光谱中某一波长可以是可见光波段(例如600～700nm)范围内；
响应时间：通过施加-2V-0V-2V-0V时由着色态变为褪色态时的时间；
稳定性：施加-2V-0V-2V-0V的循环电压，器件的调节能力衰减达到5％时的循环次数。
对比例3：
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。
随后以AlLi(1:9)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为30min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为10min。得到总厚度200nm，Li3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为30nm；则由于离子传导层过厚，离子迁移距离增加，导致器件响应速度降低；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极(同实施例1)，最终获得完整的电致变色器件。
对比例4：
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。
随后以AlLi(1:9)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为15min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为5min。得到总厚度100nm，Li3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为10nm；则由于Li3N过薄，影响器件的电子绝缘性，导致循环稳定性降低；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极(同实施例1)，最终获得完整的电致变色器件。
对比例5：
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。
随后以AlLi(1:9)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为15min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为20min。得到总厚度100nm，Li3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为50nm；则由于Li3N过厚，增加了器件的离子迁移距离，导致响应速度降低；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极(同实施例1)，最终获得完整的电致变色器件。
对比例6：
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。随后以AlLi(1:9)合金为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为10min。随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为10Pa，刻蚀功率为120W，时间为5min。得到总厚度15nm，Li3N-AlLi复合离子传导层，其中Li3N厚度为10nm；则由于AlLi薄膜不够，即Li离子含量不足导致器件调节能力变差；
随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极(同实施例1)，最终获得完整的电致变色器件。
对比例7：
将基底(ITO玻璃)分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min后，用高温胶带固定在衬底托盘上，放入进样室，打开机械泵抽至5Pa以下，打开挡板阀，送入真空度(本底真空度)以达到10-4Pa以下的溅射腔室里；
以金属钨为靶材，溅射气体为氩气和氧气，总压强为2.0Pa，氧分压为6％，靶材与基底的距离为15cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为70W或者功率密度为1.54W/cm2，沉积时间为30min，得到厚度为350nm左右的无机电致变色层薄膜。
随后以钽酸锂陶瓷靶为靶材，溅射气体为氩气，总压强1Pa，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W，沉积时间为60min。随后以金属Ni和ITO为靶材分别制备NiOx离子存储层和ITO透明电极：以镍酸锂陶瓷靶作为靶材，通入Ar和O2，压强1Pa，靶材与基底的垂直距离为10cm，托盘的温度保持在室温条件下，开启直流电源(功率为100W)，预溅射5min，开启挡板，溅射镍酸锂陶瓷靶，溅射时间60min；以ITO等为靶材，溅射气体为氩气，总压强为0.3Pa，靶材与基底的距离为10cm，初始基底温度为室温，施加在所述靶材上的直流电源功率为100W时间1h。最终获得完整的电致变色器件。对比发现钽酸锂中的锂含量和锂离子迁移效率均弱于Li3N。
表1：
可以根据情况调控离子传导层材料、离子传导层厚度、Li3N厚度等，进一步调节(优化)具有Li3N-AlLi复合离子传导层的电致变色器件的离子传导能力，离子迁移效率和减少体相缺陷等电致变色性能。

Claims (10)

1.一种电致变色器件，其特征在于，所述电致变色器件的结构为由依次排布的第一透明导电电极、电致变色层、Li3N-AlLi复合离子传导层、离子储存层和第二透明导电电极构成的多层膜结构，所述Li3N-AlLi复合离子传导层通过对形成于所述电致变色层表面的AlLi合金层用N2等离子体进行刻蚀而得；所述电致变色层的材料为WO3－x、MoO3－x或TiO2；所述离子储存层的材料为NiOx、LiNiOx或V2O5。
2.根据权利要求1所述的电致变色器件，其特征在于，所述Li3N-AlLi复合离子传导层的厚度为20～100nm。
3.根据权利要求1所述的电致变色器件，其特征在于，所述Li3N-AlLi复合离子传导层具有厚度为20～40nm的Li3N层。
4.根据权利要求1所述的电致变色器件，其特征在于，所述第一透明导电电极和/或第二透明导电电极由选自FTO导电层、ITO导电层、AZO导电层、ATO导电层的一种导电层和透明基底构成，或由金属纳米线构成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电致变色器件，其特征在于，所述电致变色器件的循环寿命在2万次以上，响应速度在5s以内，所述响应速度是施加循环的正负电压时从着色态到褪色态所需要的时间。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的电致变色器件在智能窗、汽车后视镜、显示屏、电子纸、智能可穿戴领域中的应用。
7.一种制备权利要求1至5中任一项所述的电致变色器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在第一透明导电电极表面沉积电致变色层；
（2）在所述电致变色层表面制备AlLi合金层，对形成于所述电致变色层表面的所述AlLi合金层用N2等离子体进行刻蚀，得到Li3N-AlLi复合离子传导层；
（3）在所述Li3N-AlLi复合离子传导层表面制备离子储存层；
（4）在所述储存层表面制备第二透明导电电极。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（2）包括：采用直流磁控溅射法沉积薄膜，靶材为AlLi合金靶材，溅射气体为氩气，总压强0.5～1.2Pa，初始基底温度为15～30℃，施加在所述靶材上的直流电源功率为30～200 W，沉积时间为5～30 分钟；随后用N2等离子体进行刻蚀，气压为5～20Pa，刻蚀功率为30～180W，时间为1～30分钟。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤（2）在初始本底真空度低于10-4 Pa的系统中进行。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述AlLi合金靶材中Al与Li的摩尔比为（1：9）～（1：1）。
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