ES2215228T3

ES2215228T3 - Dispositivo optico de conmutacion.

Info

Publication number: ES2215228T3
Application number: ES97926170T
Authority: ES
Inventors: Paul Van Der Sluis; Martin Ouwerkerk; Peter Alexander Duine
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2004-10-01
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: US5905590A; EP0871926A1; WO1998010329A1; DE69727551D1; DE69727551T2; JPH11514759A; EP0871926B1

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN DISPOSITIVO DE CONMUTACION (1) QUE COMPRENDE UN SUSTRATO TRANSPARENTE (3), UNA PELICULA DE CONMUTACION (5) QUE INCLUYE HIDRUROS DE GADOLINIO U OTRO METAL TRIVALENTE Y MAGNESIO, CUBIERTA CON UNA CAPA DE PALADIO (7). MEDIANTE EL INTERCAMBIO DE HIDROGENO, LA PELICULA DE CONMUTACION PODRA SER CONMUTADA DE FORMA REVERSIBLE ENTRE UN ESTADO TRANSPARENTE Y UN ESTADO ESPECULAR CON TRANSMISION NULA VIA UN ESTADO INTERMEDIO DE ABSORCION DEL NEGRO. LA CONVERSION ENTRE LOS DOS ESTADOS ES REVERSIBLE Y ESE FENOMENO SE PODRA UTILIZAR POR EJEMPLO EN UN ELEMENTO DE CONMUTACION OPTICA O EN UN TECHO SOLAR.

Description

Dispositivo óptico de conmutación.

La invención se refiere a un dispositivo óptico de conmutación, que comprende una película de conmutación, que contiene un compuesto metálico. La invención también se refiere a un dispositivo electroquímico de conmutación que comprende una película de conmutación de este tipo. La invención se refiere además a aplicaciones de un dispositivo de conmutación de este tipo.

En los dispositivos de conmutación relevantes, las propiedades ópticas están gobernadas por influencias externas, tales como una presión de gas, una corriente o potencial eléctrico.

Por ejemplo, son bien conocidos dispositivos electrocrómicos en los que una capa de un material electrocrómico, tal como MoO_{3}, está intercalada entre dos capas de electrodo electroconductoras, transparentes, por ejemplo, de óxido de indio-estaño. Una capa de un material conductor de iones H^{+} o Li^{+} se encuentra presente entre un electrodo y el material electrocrómico. El dispositivo también comprende una capa de almacenamiento de iones para almacenar dichos iones. La aplicación de un potencial eléctrico de varios voltios a través de los electrodos hace que cambie la transmisión o el color de la pila de capas. Dicho cambio de transmisión es reversible. Los materiales electrocrómicos se emplean, por ejemplo, en ventanas de transmisión variable para edificios y en espejos antideslumbrantes en vehículos.

Una desventaja de los dispositivos electrocrómicos que contienen óxidos es que se requiere una pila de capas extensiva para su funcionamiento. Una desventaja importante adicional es que tales materiales sólo permiten que se obtenga un cambio de transmisión relativamente pequeño, y por tanto, un contraste pequeño.

En la solicitud de patente internacional no prepublicada WO 96/38759 presentada por los Solicitantes, se describe un dispositivo de conmutación en el que una película de hidruro de gadolinio GdH_{x} puede conmutarse de manera reversible entre una composición baja en hidrógeno (x < \approx 2) y una composición sobresaturada elevada en hidrógeno (x > \approx 2) mediante un intercambio de hidrógeno. Ambas composiciones tienen distintas propiedades ópticas. Con un contenido bajo de hidrógeno (x < = 2), la película tiene un carácter metálico, y no es transparente. Con un contenido elevado de hidrógeno (x > \approx 2), la película es semiconductora, transparente y amarilla en el modo de transmisión. La conmutación puede llevarse a cabo a temperatura ambiente.

Es un objeto de la presente invención proporcionar, entre otros, un dispositivo óptico de conmutación en el que la película de conmutación pueda convertirse reversiblemente de un estado especular o no transparente a un estado transparente con un contraste mejorado, es decir, una relación grande entre los valores de transmisión en ambos estados. Otro objeto es proporcionar un dispositivo óptico de conmutación, en el que el color en el estado transparente sea gris neutro. Un objeto adicional es proporcionar un dispositivo óptico de conmutación, que muestre tres estados estables: especular, absorbente u opaco, y transparente. Además, debe ser posible realizar dicha conversión relativamente rápido a presión y temperatura ambiente, y, dentro de un dispositivo electroquímico, a bajas tensiones, es decir, inferiores a 10V.

Según la invención, este objeto se consigue con un dispositivo óptico de conmutación que comprende un sustrato y una película de conmutación que comprende hidruros de un metal trivalente y magnesio, hidruros que pueden conmutarse reversiblemente desde una composición especular, baja en hidrógeno a una composición sobresaturada elevada en hidrógeno transparente mediante un intercambio de hidrógeno.

Se ha descubierto que la adición de magnesio al metal trivalente, tal como gadolinio, tiene algunos efectos sorprendentes en la película de conmutación.

La adición de magnesio conduce a un aumento en la transmisión de la película de conmutación en el estado transparente y a un descenso en la transmisión en el estado no transparente a casi cero. Esto significa que el contraste, que es la relación entre ambos valores de transmisión, aumenta. La adición de, por ejemplo, un 50% de átomos de Mg a una película de Gd produce que el contraste aumente desde un valor de 20 hasta un valor de 3000. En la siguiente parte de este documento, se expresan porcentajes atómicos de magnesio en la capa de conmutación como un porcentaje del contenido total de metal, es decir, excluyendo el contenido de hidrógeno.

La adición de magnesio también hace la película de conmutación más transparente a longitudes de onda más cortas. La adición de un 50% de átomos de Mg a una película de conmutación que contiene Gd produce un desplazamiento del borde de absorción del espectro de transmisión de 100 nm a longitudes de onda más cortas. Esto significa que la película de conmutación en el estado transparente puede realizarse de gris neutro, mientras que una película de gadolinio sin la adición de Mg es amarilla en el estado transparente. El desplazamiento a longitudes de onda más cortas aumenta con la cantidad de Mg añadido a la película de conmutación. Puede añadirse hasta un 95% de átomos de Mg a la película de conmutación. La presencia de un metal trivalente, incluso en una pequeña cantidad, es esencial. Además, la adición de Mg a la película de conmutación conduce a una apariencia especular real en el estado no transparente, mientras una película de conmutación sin la adición de Mg es absorbente y negra en dicho estado no transparente.

La adición de cantidades de Mg relativamente pequeñas, es decir, de 5 al 15% de átomos, a la película de conmutación conduce a un aumento de la velocidad de conmutación del estado especular al transparente.

La adición de más del 60% de átomos de Mg a una película de conmutación que contenga Gd da como resultado tres estados estables que están gobernados por el contenido de hidrógeno de la película de conmutación, particularmente, cuando el contenido de hidrógeno aumenta; un estado especular, un estado negro absorbente y un estado transparente.

Aparte de Gd, otros metales trivalentes de transición y de tierras raras, y aleaciones de estos metales, presentan fenómenos similares. Entre estos metales se encuentran, por ejemplo, el lutetio (Lu), el itrio (Y) y el lantano (La).

En lugar de una aleación de un metal trivalente y magnesio, puede utilizarse una pila de capas delgadas alternantes de un metal trivalente y Mg, por ejemplo, una pila multicapa de 50 pares de Gd | Mg. Una multicapa de este tipo tiene la ventaja adicional de aumentar la velocidad de conmutación entre los estados
ópticos.

La conmutación de la película de conmutación tiene lugar con hidrógeno. La transmisión de la película de conmutación está gobernada por el contenido de hidrógeno: la transmisión aumenta cuando el contenido de hidrógeno aumenta. Si se suministra gas de hidrógeno molecular a la película de conmutación, la transmisión aumenta cuando aumenta la presión de hidrógeno. El hidrógeno debe disociarse a H atómico. La velocidad de disociación puede aumentarse dotando a la superficie de la película de conmutación con una capa delgada de paladio que tenga un espesor, por ejemplo, de 5 nm. Con dicho espesor, la capa de paladio es discontinua. El espesor de capa no es crítico y se selecciona en el intervalo entre 2 y 25 nm. Sin embargo, se prefieren capas delgadas de 2 a 10 nm, porque el espesor de la capa de paladio determina la transmisión máxima del dispositivo de conmutación. Además, la capa de paladio protege a la película de conmutación subyacente frente a la oxidación.

Aparte de paladio, en la película de conmutación pueden estar previstos otros metales catalíticamente activos que promueven la disociación del hidrógeno, tales como el platino, el níquel y el cobalto o aleaciones con estos metales.

El hidrógeno molecular puede pasar de manera simple desde un cilindro de gas lleno con H_{2} a la película de conmutación a temperatura ambiente. A continuación, una película de conmutación especular con bajo contenido de hidrógeno cambia a un estado transparente rico en hidrógeno. Esta conversión es reversible: la película transparente pasa a un estado especular mediante el calentamiento y/o la evacuación de hidrógeno. Dicha conversión reversible puede tener lugar aproximadamente a temperatura ambiente, o a temperaturas superiores.

También puede obtenerse hidrógeno atómico de otras maneras, tales como mediante una reducción electrolítica de agua en la película de conmutación según la siguiente reacción:

H_{2}O + e^{-} \rightarrow H + OH^{-}

Adicionalmente, puede generarse hidrógeno atómico a partir de un plasma de hidrógeno. En este caso, no es necesaria una capa catalíticamente activa, por ejemplo, de paladio. También puede originarse hidrógeno atómico a partir de otro hidruro de metal, tal como aleaciones metálicas para almacenamiento de hidrógeno, que son conocidas en sí mismas.

La película de conmutación según la invención es delgada, es decir, su espesor de película es inferior a 2 \mum. El espesor de película de la película de conmutación oscila preferiblemente entre 100 y 1.000 nm. Como el hidrógeno debe difundirse en la película de conmutación, el espesor de película determina la velocidad de la conversión total desde el estado especular al transparente y a la inversa.

El objeto de la invención, es decir, proporcionar un dispositivo óptico que pueda conmutarse electroquímicamente, se obtiene con un dispositivo que comprende un primer y segundo electrodos separados por un electrolito conductor de iones, comprendiendo el primer electrodo una película de conmutación de hidruros de un metal trivalente y magnesio, película de conmutación que está dotada con una capa electrocatalítica de metal en contacto con el electrolito, de manera que al aplicar un potencial o corriente entre los electrodos, pueda detectarse un cambio en la transmisión óptica de la capa de conmutación cuando el hidruro se convierta electroquímicamente de un estado especular con bajo contenido de hidrógeno a un estado transparente rico en hidrógeno mediante un intercambio de hidrógeno, y viceversa.

El dispositivo óptico de conmutación según esta realización de la invención es una celda electroquímica, en la que uno de los electrodos comprende una película de conmutación de hidruros del metal trivalente y magnesio, película que está en contacto con un electrolito conductor de iones a través de una capa catalítica delgada de metal. La película de conmutación está cargada con hidrógeno por una reducción electrolítica de protones, o especies que contienen hidrógeno, tales como el agua, o por oxidación de iones de H', aplicando un potencial entre los electrodos. En esta interfaz de electrodo/electrolito, por ejemplo, se reduce el agua a hidrógeno atómico. El hidrógeno (H) atómico generado producirá una conversión desde el estado especular al estado transparente. El cambio del potencial conduce a una oxidación del estado transparente en el estado especular. De esta manera, se obtiene una conmutación electro-óptica reversible.

Para aumentar la velocidad de composición de hidruro y descomposición de hidruro, y por tanto la velocidad de conmutación, la película de conmutación que contiene hidruro de metal está dotada con una capa delgada de una aleación o metal electrocatalítico, tal como paladio, platino o níquel. Estos metales catalizan entre otras cosas, la reducción de protones a hidrógeno. Otros metales catalíticos apropiados son las aleaciones de los denominados tipos AB_{5} y AB_{2}, tales como TiNi_{2} y LaNi_{5}. Además, esta capa de metal protege la película de conmutación subyacente frente a la corrosión por el electrolito. Tal como se ha explicado anteriormente en el presente documento, esta capa tiene un espesor en el intervalo entre 2 y 25 nm. Sin embargo se prefieren capas delgadas de 2 a 10 nm, porque el espesor de la película determina la transmisión máxima del dispositivo de conmutación.

El electrolito debe ser un buen conductor de iones, pero debe ser un aislante de electrones para evitar una descarga espontánea del dispositivo. Como líquido electrolito pueden utilizarse electrolitos, tales como una disolución acuosa de KOH. Una disolución de este tipo es un buen conductor de iones, y los hidruros de metal son estables en él. El electrolito también puede estar presente en estado sólido o de gel.

Preferiblemente se utilizan electrolitos transparentes en estado sólido, debido a la

\hbox{simplicidad
del}

dispositivo; éstos evitan problemas de sellado, y el dispositivo es más fácil de manejar. Pueden utilizarse tanto compuestos sólidos

\hbox{inorgánicos como}

orgánicos. Ejemplos de electrolitos inorgánicos, que son buenos conductores de protones

\hbox{(H+), son}

óxidos hidratados tales como Ta_{2}O_{5}.nH_{2}O, Nb_{2}O_{5}.nH_{2}O, CeO_{2}.nH_{2}O, Sb_{2}O_{5}.nH_{2}O, Zr(HPO_{4})_{2}.nH_{2}O

\hbox{y
V _{2} O _{5} .nH _{2} O,}

H_{3}PO_{4}(WO_{3})_{12}.29H_{2}O, H_{3}PO_{4}(MoO_{3})_{12}.29H_{2}O, [Mg_{2}Gd(OH)_{6}]OH.2H_{2}O y compuestos anhidro tales como KH_{2}PO_{4}, KH_{2}AsO_{4}, CeHSO_{4}, CeHSeO_{4}, Mg(OH)_{2} y compuestos del tipo MCeO_{3} (M = Mg, BA, Ca, Sr), en los que una parte de CE se ha sustituido por Yb, Gd o Nb. También pueden utilizarse vidrios, tales como vidrio de fosfato de circonio sin álcali. Ejemplos de buenos conductores de iones (H_{3}O+) son HUO_{2}PO_{4}.4H_{2}O y \beta-alúmina de oxonio. Ejemplos de buenos conductores de iones H^{-} son CaCl_{2}/CaH_{2}, Ba_{2}NH y SrLiH_{3}. Un ejemplo de un electrolito sólido orgánico es poli (ácido 2-acrilamido-2-metil-propano-sulfónico).

Pueden utilizarse varios materiales transparentes para el segundo o contra- electrodo. Ejemplos son materiales hidrogenados con óxidos, tales como TiO_{2}, WO_{3}, NiO_{2}, Rh_{2}O_{3} y V_{2}O_{5}. Dichos materiales pueden estar cargados con hidrógeno, por pulverización catódica en una atmósfera de hidrógeno, o electroquímicamente en una etapa separada. Asimismo, pueden utilizarse capas delgadas de compuestos de AB_{2} y AB_{5} intermetálicos que forman hidruros, tales como TiNi_{2} y LaNi_{5}. Otra posibilidad es el uso del mismo material que el utilizado para la película de conmutación, lo que da como resultado la formación de un dispositivo de conmutación simétrico. Dichos materiales se proporcionan en forma de una capa con un espesor comparable al de la película de conmutación. El espesor se selecciona de tal manera que la capacidad de hidrógeno en el segundo electrodo sea suficiente para convertir la película de conmutación del estado especular al estado transparente, y viceversa.

Sustratos en los que pueden preverse las capas del dispositivo de conmutación son materiales transparentes, tales como vidrio, cuarzo, diamante, óxido de aluminio o resina sintética (flexible). El sustrato puede ser plano o curvo.

La película de conmutación se aplica como una capa delgada sobre el sustrato por medio de métodos convencionales tales como la evaporación en vacío, pulverización catódica, ablación por láser, la deposición química en fase de vapor o electrodeposición. A este respecto, es importante que durante y tras la aplicación de la capa de conmutación, el metal de la película de conmutación no esté sometido a oxidación. En un proceso de evaporación en vacío, esto se consigue manteniendo la presión, particularmente, de los gases residuales, agua y oxígeno, a un nivel reducido por debajo de 10^{-6} a 10^{-7} mbar. Al someter al metal trivalente y al magnesio a hidrógeno a una presión de 10^{-2} mbar, los metales en la película de conmutación pueden convertirse al estado de hidruro con un bajo contenido de hidrógeno, película que tiene una apariencia especular y no es transparente.

Asimismo, la capa catalíticamente activa, por ejemplo, de Pd, y la capa del segundo electrodo, pueden aplicarse por medio de uno de los métodos anteriormente mencionados.

El electrolito inorgánico en estado sólido también puede aplicarse como una capa delgada mediante uno de los métodos anteriormente mencionados. Los electrolitos inorgánicos que contienen óxidos también pueden fabricarse mediante un procedimiento sol-gel, a partir de un compuesto alcoxilo apropiado. Los electrolitos orgánicos pueden aplicarse, por ejemplo, mediante un depósito por centrifugación.

Cuando las películas delgadas de hidruros de metal tienen una conductancia eléctrica suficiente, puede omitirse una capa delgada transparente de óxido de indio-estaño (ITO) entre el sustrato y la capa de conmutación, que es normal en dispositivos electrocrómicos convencionales. De esta manera, el dispositivo de conmutación según la invención es más sencillo que un dispositivo de visualización electrocrómico convencional.

Un ejemplo de una posible secuencia de capas en un dispositivo óptico de conmutación electroquímico según la invención es:

sustrato | GdMgH_{x} | Pd | KOH | TiOOH_{y} | ITO

En esta configuración, GdMgH_{x} está en un principio en el estado especular de bajo contenido de hidrógeno (x < \approx 2), mientras que el óxido de tungsteno está cargado con hidrógeno: TiOH_{y} (0 < y \leq 1). La capa de TiOOH_{y}, que sirve como segundo electrodo, es transparente. Cuando se aplica un potencial negativo a la película de GdMgH_{x}, se transfieren iones OH^{-} y H_{2}O a través del electrolito, y se reduce el H_{2}O en la película de GdMg_{x}. Con esta reacción electroquímica, GdMgH_{x} se convierte en GdMgH_{x + \delta} (estado transparente rico en hidrógeno; x + \delta > \approx 2), que es transparente y gris neutro, mientras que TiOOH_{y - \delta} permanece transparente: el dispositivo se ha vuelto transparente en este estado, o se ha conmutado desde el estado especular al estado transparente, siempre que la capa de Pd sea transparente. El proceso de conmutación es reversible. Cuando se aplica un potencial positivo a la película de GdMgH_{x + \delta}, esta película pierde hidrógeno y el dispositivo se vuelve nuevamente especular y no transparente. Este proceso de conmutación puede repetirse muchas veces y tiene lugar a una tensión baja inferior a 10 V.

En virtud de una conmutación desde un estado especular no transparente a un estado transparente, opcionalmente mediante un estado negro absorbente, y viceversa, el dispositivo de conmutación según la invención puede utilizarse en muchas aplicaciones. En virtud de este efecto óptico, el dispositivo de conmutación puede utilizarse como un elemento óptico de conmutación, por ejemplo, como un divisor de haz variable, un obturador óptico, y para controlar la iluminancia o la forma de los haces de luz en luminarias. Dependiendo del espesor de película de la película de conmutación, esta película puede presentar una transmisión casi nula en el estado especular. Esto permite fabricar un dispositivo de conmutación que tenga un elevado contraste. El dispositivo de conmutación también puede utilizarse para almacenar datos y en informática óptica, y en aplicaciones tales como vidrio para arquitectura, vidrio para controlar la visión, tejados solares y espejos retrovisores. En el estado especular, no sólo se refleja la luz visible, sino también la luz infrarroja o calor radiante, de manera que un dispositivo de conmutación también puede utilizarse para controlar la climatización.

El dispositivo de conmutación según la invención también puede utilizarse como un filtro de transmisión variable sobre o enfrente de una pantalla de visualización para mejorar el contraste de la imagen.

Al realizar un patrón en la capa de hidruro de metal, puede fabricarse un visualizador delgado. La construcción de un visualizador de este tipo es mucho más simple que la de un LCD (visualizador de cristal líquido) debido a la ausencia de una capa de LC, una capa de orientación, una capa de retardo y un filtro de polarización. Al utilizar tres metales trivalentes distintos, puede obtenerse un patrón de puntos de tres colores.

Estos y otros aspectos de la invención resultarán evidentes y se aclararán con referencia a las realizaciones descritas en lo sucesivo.

En los dibujos:

La figura 1 es una vista transversal esquemática de un dispositivo óptico de conmutación según la invención,

la figura 2 muestra la transmisión (T) (en %) como una función de la longitud de onda \lambda (en nm) de un dispositivo de conmutación con cantidades variables de Mg en una película de conmutación que contiene Gd,

la figura 3 muestra un dispositivo electro-óptico en estado sólido según la invención, y

las figuras 4A y 4B muestran, respectivamente, los espectros de reflexión y transmisión de un dispositivo de conmutación según la invención en varios estados ópticos.

Realización ejemplar 1

La figura 1 es una vista transversal esquemática de un dispositivo 1 de conmutación según la invención. Los espesores de capa no están dibujados a escala. Sobre un sustrato 3 de cuarzo pulido está prevista una película 5 de conmutación en forma de una película de 200 nm de espesor de una aleación de GdMg que contiene un 20% de átomos de Mg (Gd_{80}Mg_{20}), por medio de una evaporación por haz de electrones. La presión residual en el aparato de evaporación es inferior a 10^{-7} mbar. La velocidad de deposición es de 1,0 nm/s. En el mismo aparato, se evapora una capa 7 de paladio de 10 nm de espesor en la película 5 de conmutación por medio de un calentamiento resistivo a una velocidad de deposición de 0,2 nm/s. Dicha película 5 de conmutación tiene una apariencia metálica y no es transparente.

La muestra que está formada del sustrato 3, la capa 5 de conmutación y la capa 7 de paladio, está dispuesta en una celda a presión dotada con dos ventanas de cristal de cuarzo. Dicha celda a presión también comprende conexiones para el suministro de aire y para conectarla a una bomba de vacío, respectivamente. La celda a presión está dispuesta en la sala de muestras de un espectrofotómetro. A longitudes de onda entre 200 y 1000 nm, la transmisión T de la muestra es inferior a 0,01%. Tras la evacuación, la celda a presión se llena a temperatura ambiente con hidrógeno molecular hasta una presión de 1,2 bar (1,2x10^{5}Pa). La capa 7 de paladio forma H atómico, que posteriormente es absorbido en la película 5 de conmutación. En pocos segundos, la muestra se vuelve transparente con una transmisión del 28%. La capa así formada comprende un hidruro de Gd y Mg con un alto contenido de hidrógeno: Gd_{0,8}Mg_{0,2}H_{x} (x > \approx 2).

Posteriormente, la celda a presión se evacua a una presión de 10^{-2} mbar (1 Pa). En 1 s, la transmisión desciende del 28% a aproximadamente el 5%, y tras varias decenas de segundos, desciende más hasta aproximadamente 1%. A continuación, se introduce aire húmedo a presión ambiental. Tras varios segundos, la transmisión desciende más hasta por debajo del 0,01%. Aparentemente, la presencia de oxígeno o humedad tiene una fuerte influencia en la velocidad del proceso de deshidrogenación. En este estado, la película de conmutación es especular, y comprende hidruros de Gd y Mg con un bajo contenido de hidrógeno: Gd_{0,8}Mg_{0,2}H_{x} (x < \approx 2).

La película 5 de conmutación especular que tiene una transmisión muy baja se convierte en una película transparente que tiene una transmisión del 28% mediante una nueva exposición al hidrógeno. La conversión entre ambas composiciones es reversible; una película óptica de conmutación se obtiene mediante el suministro o descarga de hidrógeno.

La figura 2 muestra la transmisión T en % de esta y otras muestras a longitudes de onda entre 200 y 1000 nm en el estado transparente. La curva B muestra la transmisión de la muestra anterior que tiene un 20% de átomos de Mg.

En comparación, la curva A muestra la transmisión de una muestra en la que la película de conmutación de Gd no contiene magnesio. La figura muestra que la adición de un 20% de átomos de Mg a Gd produce un aumento de la transmisión desde el 16% al 28%. En el estado no transparente, la película de conmutación que contiene Mg tiene una transmisión inferior al 0,01% a una longitud de onda de 600 nm. En el estado no transparente, y a la misma longitud de onda, la película de conmutación sin Mg muestra una transmisión del 1%. Por consiguiente, la relación de contraste ha aumentado de 16 a 2800 por la adición de un 20% de átomos de Mg a la película de conmutación.

La figura 2 también muestra los resultados para muestras que tienen películas de conmutación con cantidades aumentadas de Mg con respecto a Gd. Las curvas C y D muestran las transmisiones de esas muestras que tienen un 50% de átomos de Mg y un 90% respectivamente. Con un contenido de al menos el 50% de átomos de Mg, pueden obtenerse relaciones de contraste de más de 3000.

Aparte de un aumento en la transmisión cuando se aumenta el contenido de Mg, las curvas también muestran un desplazamiento del borde de absorción a longitudes de onda más cortas. Con al menos un 60% de átomos de Mg, la muestra se vuelve gris neutro en el estado transparente, mientras que una muestra sin Mg es amarilla en el estado transparente.

Realización ejemplar 2

La figura 3 muestra esquemáticamente un corte transversal de un dispositivo 1 de conmutación electro-óptico en estado sólido según la invención. Los espesores de capa no están dibujados a escala.

El dispositivo comprende una placa 3 de vidrio, un primer electrodo 5 de Gd_{0,4}Mg_{0,6}H_{x} como película de conmutación con un espesor de 200 nm, una capa 7 de paladio con un espesor de 5 nm, una capa 9 de 50 \mum de espesor de un electrolito conductor de iones que contiene KOH, un segundo electrodo 11 de TiOOH transparente con un espesor de 350 nm, y una capa 13 electroconductora de ITO. Todas las capas son transparentes, excepto la película 5 en el estado especular bajo en hidrógeno, de manera que en este estado, el dispositivo 1 actúa como un espejo.

El dispositivo puede funcionar a temperatura ambiente. Las capas 5 y 13 están conectadas a una fuente de corriente externa. Al aplicar una corriente catódica CC al primer electrodo 5, la composición especular baja en hidrógeno, se convierte en una composición elevada en hidrógeno, que es transparente y gris neutro. El TiOOH del segundo electrodo 11 se convierte en TiO_{2}, que también es transparente. El dispositivo 1 ahora actúa como una ventana transparente. Cuando se invierte la corriente, el primer electrodo 5 vuelve al estado bajo en hidrógeno que es especular y no transparente, y el segundo electrodo 11 de TiO_{2} se convierte en TiOOH. El dispositivo 1 se ha conmutado en un espejo. El tiempo de conmutación es comparable con el de los dispositivos electrocrómicos convencionales.

Realización ejemplar 3

La realización 1 se repite con una película de conmutación que contiene un 30% de átomos de Gd y un 70% de átomos de Mg. La figura 4A muestra la transmisión T (en %) como una función de la longitud de onda \lambda (en nm) de esta muestra. La curva 1 muestra la transmisión de la muestra con la película de conmutación en el estado transparente con elevado contenido de hidrógeno. El color en el modo de transmisión es gris neutro. La curva 2 muestra la transmisión tras una evacuación y admisión de aire húmedo durante un breve periodo de tiempo. Durante este proceso, el hidrógeno se evacua de la película de conmutación. La transmisión es aproximadamente 0,01%, pero la muestra es violeta en reflexión. La curva 3, que coincide con la curva 2, muestra la transmisión de la muestra tras la exposición al aire húmedo. En este estado, la muestra es negra y absorbente. La curva 4, que coincide con las curvas 2 y 3, muestra la transmisión tras una exposición al aire húmedo durante un periodo de tiempo más largo. En este estado, la muestra es especular y también no transparente.

La figura 4B muestra los espectros de reflectancia correspondientes de esta muestra en el estado violeta absorbente (curva 2), en el estado negro absorbente (curva 3) y en el estado especular (curva 4). En esta figura, la reflectancia R, que se mide a través del sustrato, se indica en %.

Se muestra que al aumentar el contenido de hidrógeno de la película de conmutación, el dispositivo de conmutación puede mostrar varios estados ópticos: especular, absorbente y transparente. Dependiendo del contenido de hidrógeno y del espesor de la película de conmutación, esta película puede obtener diferentes colores cuando está en el estado absorbente.

Pueden producirse los mismos fenómenos en una celda electroquímica en la que la película de conmutación sea uno de los electrodos. En caso de una reducción de agua, cuanto más negativo se vuelva el potencial de la capa de conmutación, más hidrógeno absorberá la película de conmutación. Entonces, la película de conmutación cambiará de especular a transparente a través de la absorción.

Los fenómenos tal como se han descrito anteriormente son reversibles.

El dispositivo óptico de conmutación según la invención, que comprende una película de conmutación de hidruros de un metal trivalente y magnesio, tal como una aleación de gadolinio-magnesio, puede convertirse reversiblemente de un estado especular no transparente a un estado transparente gris neutro mediante el intercambio de hidrógeno. Puede obtenerse una relación de contraste entre el estado transparente y no transparente de al menos 3000. Dicha conversión tiene lugar muy rápidamente a temperatura ambiente. La adición de al menos un 60% de átomos de Mg al metal trivalente conduce a un tercer estado que reestablece la reflexión original de la aleación de metal original. Un dispositivo de conmutación de este tipo puede utilizarse, entre otras cosas, como elemento óptico de conmutación, en espejos retrovisores, tejados solares, vidrio para arquitectura, vidrio para controlar la visión, visualizadores y para pantallas de visualización con transmisión variable.

Claims

1. Dispositivo (1) óptico de conmutación que comprende un sustrato (3) y una película (5) de conmutación que comprende hidruros de un metal trivalente y magnesio, hidruros que pueden conmutarse reversiblemente desde una composición especular baja en hidrógeno, a una composición sobresaturada elevada en hidrógeno, transparente mediante un intercambio de hidrógeno.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la película de conmutación comprende del 5 al 95% de átomos de magnesio con respecto al contenido total de metal.

3. Dispositivo óptico de conmutación según la reivindicación 1, caracterizado porque el metal trivalente es gadolinio, lutetio, itrio o lantano.

4. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la película de conmutación está dotada con una capa catalíticamente activa que comprende al menos un metal seleccionado del grupo que consiste en paladio, platino, cobalto y níquel.

5. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la película de conmutación tiene un espesor en el intervalo de 20 a 1.000 nm.

6. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la película de conmutación comprende un hidruro de una aleación del metal trivalente y magnesio, o una multicapa de estos elementos.

7. Dispositivo de conmutación según la reivindicación 1, caracterizado porque la aleación comprende al menos un 50% de átomos de magnesio.

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque los hidruros pueden conmutarse reversiblemente a través de una composición opaca intermedia.

9. Dispositivo óptico de conmutación según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un primer y segundo electrodos (5, 11) separados por un electrolito (9) conductor de iones, comprendiendo el primer electrodo dicha película de conmutación, película de conmutación que está dotada con una capa (7) de metal electrocatalítico en contacto con el electrolito, de manera que al aplicar un potencial o corriente entre los electrodos, puede detectarse un cambio en la transmisión óptica de la capa de conmutación.

10. Uso de un dispositivo de conmutación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores como un visualizador, un elemento óptico de conmutación, un espejo con transmisión variable o en vidrio para arquitectura o en tejados solares.