CN208351218U - 一种固态离子传导层及含该固态离子传导层的固态电致变色器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种固态离子传导层及含该固态离子传导层的固态电致变色器件，所述固态离子传导层为锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜。其中，具有多层膜结构的固态离子传导层，其可见光透过率高于同等膜厚的锂铝氧化物单层膜或氧化钽单层膜；同时，结构充分利用氧化钽优异的离子传导性和稳定性；同时，结构提供了足够的锂离子，满足器件的变色需求；最后，多层膜均可使用金属靶材实现高效率制备。

Description

一种固态离子传导层及含该固态离子传导层的固态电致变色 器件

技术领域

本实用新型涉及材料技术领域，特别涉及一种具有特殊多层膜结构的固态离子传导层及含有该固态离子传导层的固态电致变色器件，可用于电致变色玻璃、显示器等技术领域。

背景技术

电致变色器件可在外界电场作用下可逆改变其透反射率等光学性能，可广泛应用于建筑玻璃以及汽车，列车，船舶，飞机等交通工具的窗口，达到舒适节能目的。同时，也可以用于各种显示器等半导体产品行业。在各种形式的电致变色器件中，结构中各膜层均为固态无机材料的全固态电致变色器件，由于调节效率高，稳定性好，因而具有最广泛的应用前景。

典型的固态电致变色器件一般由透明基材及在透明基材上依次形成的第一透明导电层，第一电致变色层，离子传导层(或称电解质层)、第二电致变色层，第二透明导电层，和保护层构成。其中，离子传导层担负着电场作用下着色粒子移动的快速通道，其结构与制备工艺是保证器件性能最重要的技术之一。理所当然，全固态电致变色器件中的离子传导层也必须是无机固态物质。

氧化钽(Ta₂O₅)由于具有低泄漏电流，高介电常数，快离子输送，以及较高的热力学和化学稳定性，是迄今电致变色器件中应用最广泛的无机离子传导膜。由于Ta₂O₅薄膜的制备可以使用金属钽靶材通过反应性直流磁控溅射实现，因而具有靶材制备容易，沉积效率高，适合大规模连续镀膜生产的优点。但是，Ta₂O₅离子传导层也存在若干不足，如：1)可见光透过率低；2)需采取锂化等附加工艺额外引入锂离子；3)若采用直接溅射钽酸锂的引入锂离子的工艺，则需采用钽酸锂陶瓷靶材进行射频磁控溅射，靶材复杂，沉积效率低，等等，对电致变色大规模器件制备工艺产生不良影响。

针对现有上述问题，专利文献1(中国专利申请号：201710333624.9)提供了一种采用氧化铝锂陶瓷靶材和钽金属靶材通过共溅射方式获得一种含锂铝双离子的固态电解质(离子传导)层。但显而易见，采用共溅射的方式所形成的是一种混合物，其组成和结构难以控制；其次，共溅射中使用了氧化铝锂陶瓷靶材，因而不得不使用射频电源进行磁控溅射，沉积速率极低；并且，共溅射的方式是无法应用在大规模器件镀膜工艺上。

类似地，专利文献2(中国专利申请号：201710240528.X)提供了一种离子传导层及其制备方法，包括制备无机固态介质层，并且制备单独的锂合金层，经通电使锂掺入无机固态介质层中(通电锂化)以形成含锂的离子传导层。但是，这种方式需要进行后续锂化工程，增加了工艺复杂性，其次，通电锂化并伴随锂合金层的消失，使含锂的离子传导层整体结构缺乏一致性和均匀性；并且，由于这种最终形成的离子传导层只能是一种化合物或混合物的单一膜层，其光学性能，如可见光透过率等，无法达到最佳的性能效果。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种由高低折射率材料交替而成的离子传导多层膜结构，通过结构优化设计可获得最佳光学效果，在成膜过程中直接导入锂离子而无需后续锂化工艺，多层膜形成工艺均使用金属靶材通过直流或中频磁控溅射方式得以实现，沉积速率快效率高，满足大规模快速镀膜需求。

具体而言，本实用新型提供了一种所述固态离子传导层为锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜。

采用锂铝氧化物作为固态离子传导层(例如锂铝氧化物LiAlO₂等)，是因为其本身为一种含锂透明离子导体，通过控制多层膜中的锂的成分比完全可以满足器件对电致变色性能的要求。同时，由于锂铝氧化物折射率相对较低(例如LiAlO₂，n≈1.62)，除具有较高的可见光透过率外，并且可根据多层膜增透原理，与折射率较高的氧化钽(Ta₂O₅，n≈2.15)形成具有交替高低折射率物质的多层膜结构，获得比任一种单独薄膜更高的可见光透过率。其中，选择所述锂铝氧化物薄膜的化学式为LiAl_xO_y，其中0.4≤x≤1.2，优选0.44≤x≤1，更优选0.45≤x≤0.67；0.5≤y≤3，优选0.5≤y≤2.5，更优选0.5≤y≤2。而所述氧化钽薄膜为Ta₂O₅。应注意，如果需要引入较多的锂离子，LiAl_xO_y中x值应越小越好。但是，由于金属锂熔点低并具有极强的化学活泼型，其金属靶材很难制备；而若x值过高，虽然合金靶材稳定性高容易制备，但不能为结构提供足够的锂离子。y取值范围根据x范围而定，主要考虑实现膜层的可见光透过率等最佳光学性能。

较佳地，为同时实现锂离子的供给并产生可见光增透效应，所述固态离子传导层至少包含一个锂铝氧化物薄膜和一个氧化钽薄膜(两者位置可以互换)。

又，较佳地，所述多层膜至少包含一个锂铝氧化物薄膜并夹在两个氧化钽薄膜之间，或一个氧化钽薄膜夹在两个锂铝氧化物薄膜之间，根据多层膜干涉原理，多层膜可获得更好的增透效应。

较佳地，所述锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜总层数为2～20，优选3～15，更优选3～5。当然，采用3层以上的多层膜结构可进一步提高多层膜的可见光增透效果并使锂离子扩散更加均匀。但考虑到实现大规模生产的工艺可行性，所述锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜总层数限定为2～20，优选3～15，更优选3～ 5。因为，膜层过多将增加设备和工艺的复杂性，膜层过少则增透效果不明显。

较佳地，所述固态离子传导层总厚度设计为100nm～1000nm。又，较佳地，所述固态离子传导层总厚度为200nm～600nm。因为，总厚度过大，则沉积时间长效率低；过小，不能起到足够的离子储存与传导效应。在对各层膜厚进行结构设计时，应同时满足提供足够的锂离子及实现最大光学效果的需求。

较佳地，所述锂铝氧化物薄膜的厚度为10～500nm，优选为50～400nm；所述氧化钽薄膜的厚度为50～500nm，优选为50～200nm。

依据多层膜增透原理，所述具有多层膜结构的固态离子传导层，其可见光透过率高于同等膜厚的锂铝氧化物单层膜或氧化钽单层膜；同时，结构充分利用氧化钽优异的离子传导性和稳定性；同时，结构提供了足够的锂离子，满足器件的变色需求；最后，多层膜均可使用金属靶材实现高效率制备。

另一方面，本实用新型还提供了一种固态电致变色器件，结构包括基板，以及依次设置于所述基板上的第一透明导电层、第一电致变色层、本实用新型所述固态离子传导层、第二电致变色层、第二透明导电层和保护层。

较佳地，所述第一电致变色层的厚度为100～500nm；所述第二电致变色层的厚度为 200～600nm；所述透明导电层的厚度为50～500nm；所述保护层的厚度为50～500nm。

较佳地，将所述固态电致变色器件中第一透明导电层或第二透明导电层替换为反射型金属导电膜，则器件具有可变的反射率，可用于汽车防眩等用途。

本实用新型具有以下诸多优点：1)采用高低折射率物质交替形成多层膜固态离子传导层，根据多层膜增透原理，其优化结构的可见光透过率高于同等膜厚的锂铝氧化物单层膜或氧化钽单层膜；2)采用氧化钽作为高折射率组分，最大限度利用其优异的离子传导特性和稳定性；3)通过提高锂铝氧化物中的锂含量为固态离子传导层提供足够的锂离子，满足器件的变色需求；4)固态离子传导层中各膜层均可使用金属靶材和直流(或中频)磁控溅射工艺，效率高成本低。因此本实用新型解决了目前离子传导层结构与制备工艺中存在的材料成本高，工艺复杂，成膜率低，光学性能不足等诸多问题，为实现大规模器件生产打下了坚实基础。

附图说明

图1为本实用新型中固态电致变色器件结构示意图；

图2为具有三层膜结构的固态离子传导层中各膜层厚度与可见光透过率的关系；

图3为一个具有三层膜结构的固态离子传导层优化结构的可见光透反射率曲线与可见光透过率积分值；

图号说明：

100 透明基板；

110 第一透明导电膜；

120 电致变色层；

130 离子传导层；

140 电致变色层；

150 第二透明导电层；

160 保护层；

131 LiAl_xO_y；

132 Ta₂O₅；

13n LiAl_xO_y(重复131与132结构至第13n层)。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本实用新型，应理解，下述实施方式仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。

在本实用新型一实施方式中，固态离子传导层为锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜，所述锂铝氧化物薄膜的化学式为LiAl_xO_y，其中0.4≤x≤1.2，优选0.44 ≤x≤1，更优选0.45≤x≤0.67；0.5≤y≤3，优选0.5≤y≤2.5，更优选0.5≤y≤2；所述氧化钽薄膜为五氧化二钽(Ta₂O₅)。

在可选的实施方式中，所述固态离子传导层至少包含一个锂铝氧化物薄膜和一个氧化钽薄膜，两者位置可以互换。更优选地，所述的固态离子传导层至少包含一个锂铝氧化物薄膜并夹在两个氧化钽薄膜之间，或一个氧化钽薄膜并夹在两个锂铝氧化物薄膜之间。所述锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜总层数为2～20，优选3～15，更优选 3～5。所述固态离子传导层总厚度为100nm～1000nm，优选为200nm～600nm。

在可选的实施方式中，固态离子传导层(多层膜固态离子传导层)中的锂铝氧化物薄膜使用铝锂合金靶材通过反应性磁控溅射方式制备，铝锂合金靶材为具有AlLi_x(0.4≤x≤1.2，例如，x可≈1)组成的固溶体，或Al₂Li₃晶相，或Al₄Li₉晶相中的任何一种或两种以上混合物。所述锂铝氧化物薄膜制备参数为：本底真空1×10^-5～5×10^-3Pa，基底温度为 20℃～200℃，镀膜时间为1～60min，工作气氛为含氧气和氩气气氛，工作气压为0.5～ 5Pa，溅射功率密度为1～10W/cm²。应注意，只要能获得所定厚度所定质量的锂铝氧化物薄膜，其沉积方式不应有所限制。

在可选的实施方式中，所述氧化钽薄膜使用金属钽靶材通过反应性磁控溅射方式制备，其制备参数为：本底真空1×10^-5～5×10^-3Pa，基底温度为20℃～200℃，镀膜时间为1～60min，工作气氛为含氧气和氩气气氛，工作气压为0.5～5Pa，溅射功率密度为1～ 10W/cm²。应注意，只要能获得所定厚度所定质量的氧化钽薄膜，其沉积方式不应有所限制。

本公开中，由于多层膜增透原理，锂铝氧化物/氧化钽多层膜固态离子传导层可见光透过率高于同样厚度的锂铝氧化物单层膜或氧化钽单层膜所构成的固态离子传导层。例如，仅以一层氧化钽薄膜夹在两层锂铝氧化物薄膜(如锂铝氧化物)之间形成的离子传导多层膜，其光学性能已超过同样厚度的各自的单层膜。并且，由于同时也使用了性能优异的氧化钽薄膜，结构具有良好的稳定性和耐久性。再有，两者均可采用金属靶材溅射形成，效率高，成本低。

在本公开中，离子传导层的有益效果：1)光学性能最佳；2)可使用金属靶材实现直流或中频电源的磁控溅射，靶材易于制备，生产效率高；3)具有足够的离离子浓度，而无需另外附加通电锂化等复杂工艺；4)组成和结构分布均匀。

在本实用新型一实施方式中，利用固态离子传导层构成固态电致变色器件，其结构如图1所示。该固态电致变色器件制作特点是：选择透明基板(例如，玻璃，有机玻璃等)，并依次形成一定厚度的第一透明导电层(ITO、AZO、FTO，ATO等)，第一电致变色层(例如，氧化镍膜)，固态离子传导层(锂铝氧化物/氧化钽多层膜)，第二电致变色层 (例如，氧化钨膜)，第二透明导电层(ITO导电薄膜、AZO、FTO，ATO等)，和保护层 (例如、氮化硅、氧化硅，氮氧化硅，氮氧化硅铝等)，上述膜层构成完整的固态电致变色器件。在可选的实施方式中，第一电致变色层的厚度可为100～500nm，第二电致变色层的厚度可为200～600nm，第一和第二透明导电层的厚度可为50-500nm，保护层厚度为50- 500nm。

上述结构是本实用新型中固态电致变色器件的一个示例。当然，根据需要可以改变部分膜层顺序，如将氧化钨膜和氧化镍膜位置调换。也可根据需要增加部分介质膜，等等。只要在固态电致变色器件中包含本实用新型所规定的多层膜结构的离子传导层，其他组合不应有任何限制。此外，也可以将固态电致变色器件结构中的透明导电层中的一层换成反射型导电金属，如银，铬或其合金，使器件成为具有反射率变化的电致变色器件。应注意，固态电致变色器件中各个膜层厚度根据需要可进行调节，且只要能获得所定厚度和所定质量的各个膜层，其沉积方式可参照锂铝氧化物薄膜进行制备，或对于其他制备方式不应有所限制。

在本公开中，具有特殊多层膜结构的固态离子传导层，其光学性能极其优异、材料成本低，镀膜工艺简单，速率快，所形成的固态电致变色器件性能良好，适合大规模工业生产。本实用新型的产品可广泛应用于汽车，列车，船舶，飞行器以及建筑行业的节能玻璃以及显示屏等领域。

下面进一步例举实施例以详细说明本实用新型。同样应理解，以下实施例只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术人员根据本实用新型的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本实用新型的保护范围。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。

实施例1

本实施例1中，首先就多层膜离子传导层的光学性能进行了理论和实践两方面的验证，主要工作包括以下步骤：

1)选择具有离子传导特性的锂铝氧化物和氧化钽作为主要研究对象。利用反应性磁控溅射法分别在玻璃和单晶硅衬底上制备出所需厚度的氧化钽单层薄膜(Ta₂O₅，厚度为100- 200nm)和锂铝氧化物单层薄膜(LiAl_xO_y，厚度为100～200nm)。其中，氧化钽单层薄膜使用金属钽靶材，锂铝氧化物单层薄膜使用铝锂合金靶材，通过反应性直流磁控溅射制备而成。所述直流磁控溅射的工艺参数包括：本底真空1×10^-4Pa，基底温度为室温，工作气氛为含氧气和氩气，工作气压为2Pa，溅射功率密度为1～1.25W/cm²，镀膜时间为10～ 30min；

2)通利用椭偏仪对上述薄膜在可见光领域的光学常数(折射率)进行了测定。测定结果表明，锂铝氧化物和氧化钽的折射率具有较大差异，分别为n＝1.615和n＝2.126，根据多层膜干涉理论，充分具备了高低折射率交替多层膜增透条件；

3)利用光学软件对具有多层(三层)膜“锂铝氧化物/氧化钽/锂铝氧化物/玻璃衬底”结构，以可见光透过率为目标，通过改变多层膜中各膜层的厚度进行了结构的优化设计，遴选出其中的最佳膜层结构；

4)利用磁控溅射方式制备出所述优化结构，并对其光学性能进行了评价和验证。

首先利用所测光学常数，利用光学软件对结构进行了优化设计。图2显示了其中一例即具有“锂铝氧化物(厚度t1)/氧化钽(50nm)/锂铝氧化物(厚度t2)/玻璃衬底”多层膜离子传导层结构的可见光透过率与各膜层厚度的关系。当t1＝t2＝0即只有氧化钽单层膜时，可见光透过率非常低(图2中横向箭头所示)；而当引入上下两层锂铝氧化物薄膜后，可见光透过率呈波浪式上升，并在一定条件下达到最大值(如图中纵向箭头所示)。理论计算充分显示了本实用新型的优越性和可行性。

考虑器件中离子传导层的实际使用厚度范围进一步进行了结构设计与优化计算。图3 显示了具有“锂铝氧化物(LAO:80～120nm)/氧化钽(TO:160～200nm)/锂铝氧化物(LAO:80～120nm)/玻璃衬底(G)”优化多层膜结构之一的可见光透过光谱，并与具有同样总厚度的锂铝氧化物单独薄膜和氧化钽单独薄膜的透过率曲线进行了比较。图中可见，交替多层膜的可见光透过率曲线高于其他两类薄膜，其可见光透过率积分值(98.4％)远高于同样厚度的锂铝氧化物(94.3％)和氧化钽(90.2％)单层薄膜。

上述计算表明，采用具有高低折射率值的氧化钽/锂铝氧化物交替多层膜结构，在仅使用简单的三层膜结构的情况下，其可见光透过率已经远高于具有同样厚度的氧化钽或锂铝氧化物单独薄膜。这样，本实用新型从理论与结构优化实验上展示了多层膜离子传导层在可见光透过率性能方面的巨大优越性。显然，采用可见光透过率较高的离子传导层直接导致电致变色器件具有较高的可见光透过性，作为建筑节能窗的应用性获得提升。并且，由于氧化钽或锂铝氧化物均可以使用金属靶材(金属钽或铝锂合金靶材)利用直流或中频磁控溅射方式制备，效率高易于大型化，适宜大规模器件生产工艺。另外，通过调节铝锂合金成分比以及增加膜层数量等方法，可以直接获得含有所定锂离子浓度的均匀离子传导层结构。

以下将对优化设计结果进行试验验证。参照上述氧化钽和锂铝氧化物薄膜的制备参数，在玻璃衬底上制备了多层膜的固态离子传导层(“锂铝氧化物(LiAl_xO_y:80～120nm)/氧化钽(Ta₂O₅:160～200nm)/锂铝氧化物(LiAl_xO_y:80～120nm)/玻璃衬底(G)”)，测定了其可见光透过率积分值，并与同样总厚度的氧化钽和锂铝氧化物单层膜进行了比较，结果如表1所示：

表1：

实际镀膜实验结果证明，本实用新型多层膜结构相对单层膜而言具有更高的可见光透过率，本实验其中一个结构达到了94.1％的最大值。当然，由于膜厚控制精度的影响，实验结果与理论优化计算尚有一定差距，但也同时展示了性能的进一步提升空间。

实施例2

实施例2对具有本实用新型离子传导层结构的固态电致变色器件的制备过程做详细说明：器件制备在小型磁控溅射仪(4靶位，φ4英寸靶材，旋转基板)上进行；

选择玻璃基板，经清洗后放入磁控溅射设备；

在惰性气氛中磁控溅射ITO导电靶材，制备第一透明导电层(厚度为120nm)，所述制备参数包括：本底真空1×10^-4Pa，基底温度200℃，工作气氛为氩气，工作气压为1Pa，溅射功率密度为1.25W/cm²，镀膜时间为10～30min；

采用金属镍靶，在含氧气气氛中通过反应性磁控溅射方法制备第1电致变色层(厚度为 100nm)，所述制备参数包括：本底真空1×10^-4Pa，基底温度为室温，工作气氛为含氧气和氩气，工作气压为3Pa，溅射功率密度为2W/cm²，镀膜时间为10～30min；

采用LiAl_x合金靶，在含氧气气氛中通过反应性磁控溅射方式制备离子传导层中的第一层锂铝氧化物薄膜(厚度为100nm，LiAl_xO_y，x＝0.5～0.8，y＝1.8～2.2)，所述制备参数包括：本底真空1×10^-4Pa，基底温度为室温，工作气氛为含氧气和氩气，工作气压为3Pa，溅射功率密度为2W/cm²，镀膜时间为10～30min；

采用金属钽靶，在含氧气气氛中通过反应性磁控溅射方法制备氧化钽薄膜(厚度为 160nm)，所述制备参数包括：本底真空1×10^-4Pa，基底温度为室温，工作气氛为含氧气和氩气，工作气压为3Pa，溅射功率密度为2W/cm²，镀膜时间为10～30min；

在制备具有氧化钽单独离子传导层结构的电致变色器件时，为了导入锂离子，采用了钽酸锂 (LiTaO₃)靶材并通过射频磁控溅射制备，其他参数与上述同样。

制备厚度为100nm的第二层锂铝氧化物薄膜(LiAl_xO_y，x＝0.5～0.8，y＝1.8～2.2)，条件与第一层锂铝氧化物薄膜制备同样；

采用W金属靶，在含氧气气氛中通过反应性磁控溅射方式制备第二电致变色层(厚度为 450nm)，所述制备参数包括：本底真空1×10^-4Pa，基底温度为室温，工作气氛为含氧气和氩气，工作气压为3Pa，溅射功率密度为2W/cm²，镀膜时间为10～30min；

取出上述样品，放入另一磁控溅射仪，采用SiAl_m合金靶，在含氧气氮气气氛中通过反应性磁控溅射方式制备SiAlN_mO_n保护层(厚度为50～200nm)，所述制备参数包括：本底真空1 ×10^-4Pa，基底温度为室温，工作气氛为含氧气、氮气和氩气，工作气压为1Pa，溅射功率密度为2W/cm²，镀膜时间为10～30min；

经上述步骤获得全固体电致变色器件多层膜结构。

利用电极连接固态电致变色器件中第一透明导电层和第二透明导电层)并加以电压，测试正反向电压印加后的器件着色-消色透射率光谱，积分求出透光率和调节率。与单层Ta₂O₅(使用钽酸锂靶材)及单层LiAl_xO_y离子传导层相比较，结果由表2所示：

表2：

实验结果表明，使用本实用新型特殊多层膜固态离子传导层结构的电致变色器件，比使用单层膜固态离子传导层结构的电致变色器件，在可见光透过率的提升和调光率的增大方面具有极大的优越性。

Claims (10)

1.一种固态离子传导层，其特征在于，所述固态离子传导层为锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜。

2.根据权利要求1所述的固态离子传导层，其特征在于，所述多层膜至少包含一个锂铝氧化物薄膜和一个氧化钽薄膜。

3.根据权利要求2所述的固态离子传导层，其特征在于，所述多层膜至少包含一个锂铝氧化物薄膜并夹在两个氧化钽薄膜之间，或一个氧化钽薄膜并夹在两个锂铝氧化物薄膜之间。

4.根据权利要求1所述的固态离子传导层，其特征在于，所述锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜总层数为2～20。

5.根据权利要求1所述的固态离子传导层，其特征在于，所述固态离子传导层总厚度为100nm～1000nm。

6.根据权利要求5所述的固态离子传导层，其特征在于，所述固态离子传导层总厚度为200nm～600nm。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的固态离子传导层，其特征在于，所述锂铝氧化物薄膜的厚度为10～500 nm；所述氧化钽薄膜的厚度为50～500 nm。

8.一种固态电致变色器件，其特征在于，结构包括基板，以及依次设置于所述基板上的第一透明导电层、第一电致变色层、权利要求1-7中任一项所述的固态离子传导层、第二电致变色层、第二透明导电层和保护层。

9.根据权利要求8所述的固态电致变色器件，其特征在于，所述第一电致变色层的厚度为100～500nm；所述第二电致变色层的厚度为200～600nm；所述透明导电层的厚度为50～500nm；所述保护层的厚度为50～500nm。

10.根据权利要求8或9所述的固态电致变色器件，其特征在于，将所述固态电致变色器件中第一透明导电层或第二透明导电层替换为反射型金属导电膜。