CN115826309A - 一种基于金属薄膜的电致变发射率器件及其制备方法、应用 - Google Patents

一种基于金属薄膜的电致变发射率器件及其制备方法、应用 Download PDF

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刘东青
程柏璋
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Abstract

本发明公开一种基于金属薄膜的电致变发射率器件及其制备方法、应用，该器件自上而下依次包括基底、变发射率金属层、金属催化层、电解质层及离子储存层及对电极。变发射率金属层为Mg3Ni合金薄膜，Mg作为一种性能良好的储氢材料，其可与氢发生反应，实现导体到半导体的可逆转变；Ni具有催化特性，可提升Mg与H的反应速率。对器件施加‑2.6V的电压时，离子储存层中的质子在电场作用下脱出，器件由低发射态转变为高发射态。反向偏压时，器件回到低发射态。此外，本发明中的器件实现了电极与变发射率层的一体化，无需额外制备红外透明电极，使得器件具有较大的发射率调控量。

Description

一种基于金属薄膜的电致变发射率器件及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及功能材料技术领域，尤其是一种基于金属薄膜的电致变发射率器件及其制备方法、应用。
背景技术
变发射率器件是一类在外界因素的激励下发射率可发生可逆转变的器件，其核心部分为变发射率材料。该类器件目前已应用于卫星等航天器的智能热控。
在军用伪装领域，传统的静态红外伪装技术无法实现目标与背景红外辐射特征的实时融合，因此其无法适应战场环境的变化。而基于控温的自适应红外伪装技术存在能耗高、结构复杂、易产生废热等缺陷。相比之下，基于变发射率的自适应红外伪装技术则具有结构简单、调控灵活、能耗低等优点。目前，已有的变发射率器件主要有电致、热致、力致等几类，其中电致变发射率器件具有调控灵活、结构简单、性能优异等优点。但现有的电致变发射率器件需制备红外透明电极，这增加了器件的制备成本，更重要的是，红外透明电极会一定程度上影响器件的发射率调控量。
发明内容
本发明提供一种基于金属薄膜的电致变发射率器件及其制备方法、应用，用于克服现有技术中器件发射率变化量小，成本高等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种基于金属薄膜的电致变发射率器件，自上而下依次包括基底、变发射率金属层、金属催化层、电解质层及离子储存层及对电极；
所述变发射率金属层为Mg3Ni合金薄膜，所述Mg3Ni合金薄膜中Mg与Ni的原子比为1.3～4.0；所述变发射率金属层为MgxTi合金薄膜，Mg与Ni原子比为1.0～5.0；所述变发射率金属层为MgxY合金薄膜，Mg与Y原子比为1.0～4.0；所述变发射率金属层为MgxPd合金薄膜，Mg与Pd原子比为1.0～5.0；
所述金属催化层为Pd薄膜、Rh薄膜、Au薄膜和Pt薄膜中的一种；
所述电解质层中的电解质为聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯、硅酸、磷酸、聚噻吩、Nafion基电解质、酸性离子液体；
所述离子储存层为WO3薄膜、NiO薄膜、导电聚合物薄膜等；
还包括一对外接电极，分别设置在对电极和金属催化层上。
为实现上述目的，本发明还提出一种如上述所述的电致变发射率器件的制备方法，包括以下步骤：
选取对电极，选取基底；
在基底上通过磁控溅射的方式依次沉积变发射率金属层和金属催化层；
在对电极和金属催化层表面分别粘贴外接电极；
在对电极上，避开外接电极处，通过磁控溅射的方式沉积离子储存层，再在离子储存层上刮涂电解质层；
错开金属催化层和电解质层上的外接电极，将所述金属催化层盖在所述电解质层上，得到电致变发射率器件。
为实现上述目的，本发明还提出一种基于金属薄膜的电致变发射率器件的应用，将上述所述电致变发射率器件或者上述所述制备方法制备得到的电致变发射率器件应用于军事伪装领域。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明提供的电致变发射率器件，自上而下依次包括基底、变发射率金属层、金属催化层、电解质层及离子储存层及对电极。变发射率金属层为Mg3Ni合金薄膜，Mg作为一种性能良好的储氢材料，其可与氢发生反应，实现导体到半导体的可逆转变，因此，该过程会伴随红外发射率的明显变化；Ni具有催化特性，可提升Mg与H的反应速率。对器件施加-2.6V的电压时，离子储存层中的质子在电场作用下脱出，经过电解质传导到达金属催化层与电解质的界面，质子在此处得电子转变为氢原子，金属催化层作为氢原子通道将氢原子传递至合金层中，最后，金属与氢反应生成金属氢化物，器件由低发射态转变为高发射态。Mg或Mg2Ni与H完全反应后，会自发分解，H会扩散至催化层与电解质的界面处。反向偏压时，H会失电子转变为质子，质子在电场作用下重新回到离子储存层内，此时器件回到低发射态。此外，本发明中的器件实现了电极与变发射率层的一体化，无需额外制备红外透明电极，使得器件具有较大的发射率调控量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为实施例1中的电致变发射率器件的结构图；
图2为实施例1中电致变发射率器件的热伪装效果图；其中，(a)表示低发射态；(b)表示高发射态；
图3为实施例1中电致变发射率器件的发射率曲线图；
图4为实施例2中电致变发射率器件的发射率曲线图；
图5为实施例3中电致变发射率器件的发射率曲线图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
本发明提出一种基于金属薄膜的电致变发射率器件，自上而下依次包括基底、变发射率金属层、金属催化层、电解质层及离子储存层及对电极；
所述变发射率金属层为MgNi合金薄膜，所述MgNi合金薄膜中Mg与Ni的原子比为1.3～4.0；
所述金属催化层为Pd薄膜、Rh薄膜、Au薄膜和Pt薄膜中的一种；
所述电解质层中的电解质为聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯、硅酸、磷酸、聚噻吩、Nafion基电解质、酸性离子液体；
所述离子储存层为WO3薄膜、NiO薄膜、导电聚合物薄膜等；
还包括一对外接电极，分别设置在对电极和金属催化层上。
优选地，所述变发射率金属层的厚度为35～85nm。
优选地，所述金属催化层的厚度为5～20nm。
优选地，所述离子储存层的厚度为200～600nm。厚度影响器件发射率调控量。
优选地，所述基底为BaF2、MgF2、CaF2、Si中的一种。
优选地，所述对电极为ITO玻璃，包括ITO层和玻璃基底。
优选地，所述一对外接电极为两个铜箔，一个铜箔粘贴在对电极的近离子储存层侧且不与离子储存层接触，另一个铜箔粘贴在金属催化层的近电解质层侧且不与电解质层接触。
本发明还提供一种如上述所述基于金属薄膜的电致变发射率器件的制备方法，包括以下步骤：
选取对电极，选取基底；
在基底上通过磁控溅射的方式依次沉积变发射率金属层和金属催化层；
在对电极和金属催化层表面分别粘贴外接电极；
在对电极上，避开外接电极处，通过磁控溅射或旋涂的方式沉积离子储存层，再在离子储存层上刮涂电解质层；
错开金属催化层和电解质层上的外接电极，将所述金属催化层盖在所述电解质层上，得到电致变发射率器件。
本发明还提供一种基于金属薄膜的电致变发射率器件的应用，将上述所述电致变发射率器件或者上述所述制备方法制备得到的电致变发射率器件应用于军事伪装、智能热管理、红外动态显示等领域。
实施例1
本实施例提供一种基于金属薄膜的电致变发射率器件，如图1所示，自上而下依次包括基底、变发射率金属层、金属催化层、电解质层及离子储存层及对电极；
所述变发射率金属层为MgNi合金薄膜，所述MgNi合金薄膜中Mg与Ni的原子比为3；
所述金属催化层为Pd薄膜；
所述电解质层中的电解质为聚乙烯亚胺；
所述离子储存层为WO3薄膜；
还包括一对外接电极，分别设置在对电极和金属催化层上。
该电致变发射率器件尺寸为5cm×5cm×0.3cm，
本实施例还提供一种基于金属薄膜的电致变发射率器件的制备方法，包括以下步骤：
选取ITO玻璃为对电极，选取BaF2为基底。
在BaF2上通过磁控溅射的方式依次沉积Mg3Ni薄膜及Pd薄膜，厚度分别为80nm及6nm。Mg3Ni通过共溅射制备，Mg，Ni的溅射功率分别为65W，30W，工作气压为0.8Pa。Pd的溅射功率为35W，工作气压为1.2Pa。
在ITO玻璃和Pd薄膜表面分别粘贴外接电极；
在ITO玻璃上，避开外接电极处，通过磁控溅射的方式沉积一层WO3作为离子储存层，厚度为600nm。溅射功率为120W，工作气压为1Pa。再在一层WO3上刮涂一层聚乙烯亚胺(PEI)作为电解质；
错开Pd薄膜和PEI层上的外接电极，将所述Pd薄膜盖在所述PEI层上，四周用PI胶带进行封装，得到电致变发射率器件。
图2为本实施例电致变发射率器件的热伪装效果图，背景温度为40℃。通过对器件施加±2.6V的电压来实现器件状态的切换。在实际温度不变的情况下，器件可大幅度调节自身的表观温度。
图3为本实施例电致变发射率器件的发射率曲线图，在3～5微米波段的发射率变化量为0.409，在7.5～14微米波段的发射率变化量为0.424。这表明器件在大气窗口波段具有较大的发射率变化量。
实施例2
本实施例提供一种基于金属薄膜的电致变发射率器件，与实施例1相比，增加了变发射率层中Ni的含量，使Mg，Ni的原子比为1.3，其余条件与实施例1一致。器件的发射率曲线如图4所示，在3～5微米波段的发射率变化量为0.365，在7.5～14微米波段的发射率变化量为0.390。
实施例3
本实施例提供一种基于金属薄膜的电致变发射率器件，与实施例2的区别在于增加了变发射率层中Mg的含量，使Mg，Ni的原子比为4，其余条件与实施例2一致。器件的发射率曲线如图5所示，其在3～5微米波段的发射率变化量为0.453，在7.5～14微米波段的发射率变化量为0.421。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于金属薄膜的电致变发射率器件，其特征在于，自上而下依次包括基底、变发射率金属层、金属催化层、电解质层及离子储存层及对电极；
所述变发射率金属层为MgxNi合金薄膜，所述Mg3Ni合金薄膜中Mg与Ni的原子比为1.3～4.0；所述变发射率金属层为MgxTi合金薄膜，Mg与Ni原子比为1.0～5.0；所述变发射率金属层为MgxY合金薄膜，Mg与Y原子比为1.0～4.0；所述变发射率金属层为MgxPd合金薄膜，Mg与Pd原子比为1.0～5.0；
所述金属催化层为Pd薄膜、Rh薄膜、Au薄膜和Pt薄膜中的一种；
所述电解质层中的电解质为聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯、硅酸、磷酸、聚噻吩、Nafion基电解质、酸性离子液体；
所述离子储存层为WO3薄膜、NiO薄膜、导电聚合物薄膜等；
还包括一对外接电极，分别设置在对电极和金属催化层上。
2.如权利要求1所述的电致变发射率器件，其特征在于，所述变发射率金属层的厚度为30～120nm。
3.如权利要求1所述的电致变发射率器件，其特征在于，所述金属催化层的厚度为5～20nm。
4.如权利要求1所述的电致变发射率器件，其特征在于，所述基底为BaF2、MgF2、CaF2、Si、Ge、PP、PE、PTFE、尼龙等红外透明基底中的一种。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的电致变发射率器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取对电极，选取基底；
在基底上通过磁控溅射的方式依次沉积变发射率金属层和金属催化层；
在对电极和金属催化层表面分别粘贴外接电极；
在对电极上，避开外接电极处，通过磁控溅射的方式沉积离子储存层，再在离子储存层上刮涂电解质层；
错开金属催化层和电解质层上的外接电极，将所述金属催化层盖在所述电解质层上，得到电致变发射率器件。
6.一种基于金属薄膜的电致变发射率器件的应用，其特征在于，将权利要求1～4任一项所述电致变发射率器件或者权利要求5～6任一项所述制备方法制备得到的电致变发射率器件应用于军事伪装、智能热管理、红外动态显示等领域。
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