CN115933265A - 一种全固态结构的电致变发射率器件及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种全固态结构的电致变发射率器件及其制备方法和应用，从上到下依次包括变发射率金属层、金属催化层、电解质层、离子储存层及对电极。本发明的全固态结构的电致变发射率器件，可通过通电的方式实现器件红外发射率的可逆变化，且不额外使用红外透明电极。该器件实现了红外透明电极和变发射率层的一体化，降低了制备成本及工艺复杂程度，并且可以一定程度上提升器件的发射率变化量。
Description
技术领域
本发明属于电致变发射率器件技术领域，尤其涉及一种全固态结构的电致变发射率器件及其制备方法和应用。
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。现有的电致变发射率器件需要制备红外透明电极，成本高，工艺复杂。目前缺乏一种简单且能够降低电致变发射率器件生产成本的技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种全固态结构的电致变发射率器件及其制备方法和应用。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种全固态结构的电致变发射率器件，从上到下依次包括变发射率金属层、金属催化层、电解质层、离子储存层及对电极。
优选的，所述变发射率金属层包括MgNi合金、MgTi合金、MgCa合金、MgBa合金、MgY合金、MgNb合金或MgCr合金薄膜中的至少一种，厚度为35-100nm。
优选的，所述金属催化层包括Pd、Au、Rh或Pt薄膜中的至少一种，厚度为4-30nm。
优选的，所述电解质层包括Ta2O5、ZrO2、Nb2O3、钙钛矿型固态电解质中的至少一种，厚度为100-600nm。
优选的，所述离子储存层包括WO3薄膜和/或NiO薄膜，厚度为200-700nm。
优选的，所述对电极为ITO玻璃。
优选的，所述全固态结构的电致变发射率器件的变发射率金属层和对电极表面连接外接电极，所述外接电极材质为铜箔。
优选的，所述电致变发射率器件尺寸为(1-10)cm×(1-10)cm×(0.1-0.5)cm。器件厚度越小，其重量越轻，空间利用率越高。器件面积越大，可遮蔽的目标越大。
一种全固态结构的电致变发射率器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)在对电极基底上沉积离子储存层；
(2)在离子储存层上沉积电解质层；
(3)在电解质层上沉积金属催化层和变发射率金属层，得到全固态结构的电致变发射率器件。
优选的，所述沉积采用磁控溅射；步骤(1)中磁控溅射功率为40-160W，工作气压为1Pa，步骤(2)中磁控溅射功率为60-200W，步骤(3)中磁控溅射金属催化层的功率为10-40W，工作气压为1.2Pa，磁控溅射变发射率金属层的功率为30W-65W，工作气压为0.8Pa。
使薄膜的沉积速率较大，同时可以控制其结晶性。
更优选的，所述磁控溅射变发射率金属层时，变发射率金属层的合金通过共溅射制备。
一种全固态结构的电致变发射率器件的应用，所述全固态结构的电致变发射率器件应用于军事伪装、智能热管理及红外动态显示领域。
优选的，所述全固态结构的电致变发射率器件通过施加±(2.4-5)V的电压实现高低发射态的可逆转变。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的全固态结构的电致变发射率器件，可通过通电的方式实现器件红外发射率的可逆变化，且不额外使用红外透明电极。该器件实现了红外透明电极和变发射率层的一体化，降低了制备成本及工艺复杂程度，并且可以一定程度上提升器件的发射率变化量。通过对器件施加±2.6V的电压来实现器件状态的切换，其在3-5微米波段的发射率变化量为0.3，在7.5-14微米波段的发射率变化量为0.37。
(2)变发射率金属层是器件的核心工作部分，其可以在高反射状态和半吸收半透射状态之间转变，实现器件红外发射率的可逆变化。金属催化层可以为氢原子的传输提供通道，提升器件的响应速度。离子储存层可以稳定地储存质子，在电场的作用下，质子可以嵌入或脱出离子储存层。在器件的工作状态下，对电极与变发射率金属层之间形成稳定电场，保证器件正常工作。
(3)本发明优选MgNi合金，Ni具有催化性能，可以提升Mg与H的反应活性。Pd的催化性能优于Au，成本低于Pt和Rh。WO3薄膜作为离子储存层，具有离子容量大的优点。Ta2O5是一种典型的质子固态电解质，具有稳定性好的优点。
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获得其他的附图。
图1为实施例1全固态结构的电致变发射率器件结构示意图；
图2为实施例1全固态结构的电致变发射率器件的远波红外热图；
图3为实施例1全固态结构的电致变发射率器件的发射率曲线图；
图4为实施例1器件辐射温度的循环数据图；
图5为实施例2全固态结构的电致变发射率器件的发射率曲线图；
图6为实施例3全固态结构的电致变发射率器件的发射率曲线图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种全固态结构的电致变发射率器件，由变发射率金属层、金属催化层、电解质层及离子储存层及对电极组成。通过选用MgNi合金作为器件的变发射率层，选用Pd薄膜作为器件的催化层，器件电解质为Ta2O5固态电解质，离子储存层为WO3薄膜，对电极为ITO玻璃。
全固态结构的电致变发射率器件的制备方法为：
以ITO玻璃为基底，在其上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。在WO3薄膜上继续溅射一层300nm厚的Ta2O5。溅射功率为150W。在其上继续以磁控溅射的方式依次沉积Pd薄膜及Mg3Ni薄膜，厚度分别为4nm及65nm。Pd的溅射功率为35W，工作气压为1.2Pa。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。
在ITO及Mg3Ni薄膜表面粘贴铜箔作为外接电极，形成一个完整的器件。
将该全固态结构的电致变发射率器件用于热伪装技术。完整的器件结构如图1所示，器件的热伪装效果如图2所示，其背景温度为40℃，通过对器件施加±2.6V的电压来实现器件状态的切换。器件的发射率曲线如图3所示，其在3-5微米波段的发射率变化量为0.3，在7.5-14微米波段的发射率变化量为0.37。图4为实施例1器件辐射温度的循环数据图，证明器件的可逆性。
实施例2：
一种全固态结构的电致变发射率器件，由变发射率金属层、金属催化层、电解质层及离子储存层及对电极组成。通过选用MgTi合金作为器件的变发射率层，选用Pd薄膜作为器件的催化层，器件电解质为Ta2O5固态电解质，离子储存层为WO3薄膜，对电极为ITO玻璃。
全固态结构的电致变发射率器件的制备方法为：
以ITO玻璃为基底，在其上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。在WO3薄膜上继续溅射一层300nm厚的Ta2O5。溅射功率为150W。在其上继续以磁控溅射的方式依次沉积Pd薄膜及Mg3.7Ti薄膜，厚度分别为4nm及65nm。Pd的溅射功率为35W，工作气压为1.2Pa。Mg3.7Ti通过共溅射制备，Mg，Ti的溅射功率分别为65W，50W，工作气压为0.8Pa。
在ITO及Mg3.7Ti薄膜表面粘贴铜箔作为外接电极，形成一个完整的器件。
将该全固态结构的电致变发射率器件用于热伪装技术。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0.28，在7.5-14微米波段的发射率变化量为0.35。
实施例3：
一种全固态结构的电致变发射率器件，由变发射率金属层、金属催化层、电解质层及离子储存层及对电极组成。通过选用MgY合金作为器件的变发射率层，选用Pd薄膜作为器件的催化层，器件电解质为Ta2O5固态电解质，离子储存层为WO3薄膜，对电极为ITO玻璃。
全固态结构的电致变发射率器件的制备方法为：
以ITO玻璃为基底，在其上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。在WO3薄膜上继续溅射一层300nm厚的Ta2O5。溅射功率为150W。在其上继续以磁控溅射的方式依次沉积Pd薄膜及Mg1.6Y薄膜，厚度分别为4nm及65nm。Pd的溅射功率为35W，工作气压为1.2Pa。Mg1.6Y通过共溅射制备，Mg，Y的溅射功率分别为65W，80W，工作气压为0.6Pa。
在ITO及Mg1.6Y薄膜表面粘贴铜箔作为外接电极，形成一个完整的器件。
将该全固态结构的电致变发射率器件用于热伪装技术。器件的发射率曲线如图6所示，其在3-5微米波段的发射率变化量为0.19，在7.5-14微米波段的发射率变化量为0.24。
Claims (10)
1.一种全固态结构的电致变发射率器件，其特征在于，从上到下依次包括变发射率金属层、金属催化层、电解质层、离子储存层及对电极。
2.如权利要求1所述的全固态结构的电致变发射率器件，其特征在于，所述变发射率金属层包括MgNi合金、MgTi合金、MgPd合金、MgCa合金、MgBa合金、MgY合金、MgNb合金、MgCr合金、MgLa合金、MgGd合金、MgSm合金、MgSc合金、MgCe合金薄膜中的至少一种，厚度为35-100nm。
3.如权利要求1所述的全固态结构的电致变发射率器件，其特征在于，所述金属催化层包括Pd、Au、Rh或Pt薄膜中的至少一种，厚度为4-30nm。
4.如权利要求1所述的全固态结构的电致变发射率器件，其特征在于，所述电解质层包括Ta2O5、ZrO2、Nb2O3、MnO2、V2O5、钙钛矿型固态电解质中的至少一种，厚度为100-600nm。
5.如权利要求1所述的全固态结构的电致变发射率器件，其特征在于，所述离子储存层包括WO3薄膜和/或NiO薄膜，厚度为200-700nm，所述对电极为ITO玻璃。
6.如权利要求1所述的全固态结构的电致变发射率器件，其特征在于，所述全固态结构的电致变发射率器件的变发射率金属层和对电极表面连接外接电极，所述外接电极材质为铜箔，所述电致变发射率器件尺寸为(1-10)cm×(1-10)cm×(0.1-0.5)cm。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的全固态结构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：
(1)在对电极基底上沉积离子储存层；
(2)在离子储存层上沉积电解质层；
(3)在电解质层上沉积金属催化层和变发射率金属层，得到全固态结构的电致变发射率器件。
8.如权利要求7所述的全固态结构的电致变发射率器件，其特征在于，所述沉积采用磁控溅射；步骤(1)中磁控溅射功率为40-160W，工作气压为1Pa，步骤(2)中磁控溅射功率为60-200W，步骤(3)中磁控溅射金属催化层的功率为10-40W，工作气压为1.2Pa，磁控溅射变发射率金属层的功率为30W-65W，工作气压为0.8Pa。
9.一种如权利要求1-8任一项所述全固态结构的电致变发射率器件的应用，其特征在于，所述全固态结构的电致变发射率器件应用于军事伪装、智能热管理及红外动态显示领域。
10.如权利要求9所述的全固态结构的电致变发射率器件的应用，其特征在于，所述全固态结构的电致变发射率器件通过施加±(2.4-5)V的电压实现高低发射态的可逆转变。
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