微结构全彩色氧化钨电致变色薄膜的构筑及应用

doi:9D24CD99657A644D50E483CF2632385A

	微结构全彩色氧化钨电致变色薄膜的构筑及应用
	肖莉莉
学位类型	博士
导师	蒋大鹏 ; 刘星元
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	氧化钨电致变色微结构光子晶体全彩色
摘要	电致变色是材料的光学特性(折射率、消光系数等)在外加电压的作用下发生稳定、可逆变化的现象,在外观上表现为材料的颜色及透明度发生改变。电致变色材料是一种新型功能材料,其光学特性调控范围并非仅局限在可见区,也包括近红外、中远红外甚至微波区等。电致变色材料凭借其独特的光学调控特性,在信息、电子、能源、建筑以及国防等领域展现出广阔的应用前景和巨大的产业价值,受到科学界和产业界的广泛关注。无机氧化物电致变色材料通常具有制备工艺简单、稳定性高等优点,但存在柔性差、响应速度慢、色彩单一的问题,限制了它在高性能柔性器件和全彩色显示方面的应用。研究表明,构筑微纳结构(如纳米柱、纳米棒等)的电致变色材料和薄膜是实现高性能柔性电致变色器件(Electrochromic Devices,ECDs)的有效途径。该类薄膜具有较大的活性比表面积和有序的离子通道,有利于电解液与电致变色材料的充分接触,且能大大缩短离子的扩散路径,从而显著提高材料的电致变色性能(特别是响应速度)。同时,微纳结构也有利于消除膜内应力,提高薄膜的机械性能和弯折稳定性。本文以经典电致变色材料WO_3为研究对象,发展了掠角蒸发沉积方法,对薄膜的微结构进行精确调控,大幅提高了柔性WO_3薄膜的响应速度和弯折稳定性。在此基础上,针对无机电致变色材料颜色变化单一的关键难题,我们首次通过构建单一材料的电致变色布拉格反射镜(Electrochromic Distribute Bragg Reflectors,ECDBRs),实现了WO_3薄膜的彩色化,并进一步研究了其在可调谐发光器件及全彩色稳态显示方面的应用。本论文的主要研究内容及结论如下:(1)提出采用掠射角蒸发(Glancing Angle Deposition,GLAD)技术,精确调控薄膜微观结构的简单有效方案,并进一步实现了高性能柔性ECDs。研究表明:WO_3薄膜的形貌、折射率、孔隙率等参数可以通过简单的改变蒸发掠射角(衬底法线与蒸发源之间的夹角)加以调控。随着掠射角的增加,WO_3薄膜微观结构从致密无序转变为纳米柱有序,且折射率降低、孔隙率增加、比表面积增大、耐弯折性增强。其中,75°掠射角得到的纳米柱薄膜具有出色的抗反射性能、优异的柔韧性和电致变色性质。与致密薄膜相比,纳米柱结构薄膜的透过率提高8.4%,平均响应时间显著缩短(18.6/10.3 s vs.2.1/2.5 s)。同时,纳米柱薄膜在弯折1000次后,电致变色性质无明显降低。该研究解决了微观结构精确控制和传统器件透过率低、成本高(需要额外抗反射涂层、工艺复杂)的难题,为低成本、高性能、柔性ECDs的构筑提供参考。(2)提出利用光子晶体结构色和电致变色双重效应,构筑ECDBRs、调控材料光学特性的学术思想,在国际上首次采用单一材料WO_3研制出快速响应的彩色化电致变色薄膜、并成功应用于稳态显示器件及可逆的电调谐微腔发光器件。该ECDBRs由连续交替沉积的纳米柱状和致密的WO_3薄膜(折射率差为0.41@550 nm)组成。在±1.1 V的电压下,其反射波长可在宽达72 nm的范围内快速可逆调控。进一步,通过将其集成到微腔器件中,成功实现了可逆的电调谐微腔量子点发光器件。在-0.9 V电压下,该微腔器件的发射峰位,峰值强度和半高全宽的最大调制范围分别达到15.5 nm,0.8~317%和10.4 nm。其优异的发光可调谐性能归功于电刺激诱导WO_3的光学常数发生可逆改变,从而调控微腔器件的发射模式。该研究不仅为高性能电响应光子晶体的构建提供简单有效的方案,也为实现可调谐光子/光电子器件提供了新思路。(3)提出采用低折射率、离子传导特性的多孔LiF与高折射率、致密的电致变色材料WO_3制备ECDBRs,实现快速响应全彩色电致变色稳态显示器件的新方法。致密WO_3层与多孔LiF层的折射率差高达0.56,保证ECDBRs以更少的层数获得更高的反射率,3对薄膜的反射率高达87.8%,优于单纯的WO_3膜层。同时,LiF层提供大量自由移动的锂离子,提高显示器件的响应速度和着色效率。通过对电极进行图形化,实现快速响应的电致变色稳态显示器件,器件具有反射显示和透射显示能力,且两种显示可自由切换。该研究成功克服了传统ECDs颜色变化单一、响应速度慢的难题,有望发展成为具有自主知识产权的新一代节能型显示新技术。
页数	129
DOI	9D24CD99657A644D50E483CF2632385A
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63846
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	肖莉莉. 微结构全彩色氧化钨电致变色薄膜的构筑及应用[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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