[發明專利]一種快速響應的氧化鎳電致變色薄膜及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202211480401.2
• 申請日: 2022-11-23
• 公開（公告）號: CN115745418A
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發明（設計）人: 楊曄;樓其村;王雪琦;戶其釗;宋偉杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C03C17/245
• 分類號: C03C17/245;C03C17/34;G02F1/1523
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

本發明提供了一種快速響應的氧化鎳電致變色薄膜的制備方法，采用磁控濺射技術，以共摻雜M_xT_yNi_zO為陰極靶材，以惰性氣體和氧氣的混合氣體為工作氣體，在透明玻璃基體表面沉積形成氧化鎳薄膜，并對所獲得的所述氧化鎳薄膜進行高溫快速退火工藝處理，得到氧化鎳電致變色薄膜，所述氧化鎳電致變色薄膜著色響應時間小于3.5s，褪色響應時間小于1.5s，電化學循環穩定性高于3000圈。采用本發明的技術方案能促進實現結晶立方相結構的氧化鎳薄膜，形成含有均勻分布孔狀的平滑無裂紋結構，為鋰離子在電致變色過程中快速移動提供大量的通道和反應位點，有助于提升薄膜的電致變色響應速度，并實現了長時間的循環穩定性。

技術領域

本發明涉及電致變色器件與應用技術領域，具體地，涉及一種快速響應的氧化鎳電致變色薄膜及其制備方法和應用。

背景技術

電致變色材料是一種在外界電刺激下可以發生穩定可逆的顏色變化，同時具有光學調制能力的一種智能材料。而氧化鎳NiO是一種研究歷史悠久的陽極電致變色材料，在水性電解質和有機電解質中均可實現透明的還原態和深棕色的氧化態之間可逆變化。目前利用外加電壓調節鋰離子與電子的雙注入進而實現快速、可逆光學切換的電致變色器件已經在建筑節能、現代顯示、汽車天幕、VR眼鏡等領域得到應用。電致變色器件在這些領域的應用需要具有光調制范圍寬、循環穩定性好、機械性能穩定、可大面積制備以及響應速度快等要求。

常規的電致變色器件由透明電極層、電致變色層、電解質層以及離子儲存層(對電極層)所組成，其中氧化鎳是最典型的離子儲存層的材料。氧化鎳是一種陽極電致變色材料，在電場的作用下，鋰離子與電子的同時注入，實現著色態與褪色態的相互轉變(式1)，

NiO_x(著色態)+yLi⁺+ye^-＜＝＞Li_yNiO_x(褪色態) (1)

該過程與氧化鎢著褪色狀態形成互補關系，在儲存鋰離子的同時進一步提升電致變色器件的光學調制幅度。

氧化鎳薄膜制備方法主要有熱蒸發、電子束蒸發、電化學沉積以及磁控濺射等，其中，磁控濺射具有成分均一、薄膜與基底附著強、室溫濺射、可大面積沉積等優點而得到廣泛使用。然而對于現有應用于電致變色器件的磁控濺射沉積的氧化鎳薄膜而言，還存在如下不足之處：光學調制幅度差、離子儲存能力差、響應時間慢、較低的褪色態透過率，這些因素限制了該產品商業化的應用。例如，Zhao等人在(Coatings，2022，12，118)公布了一種利用射頻磁控反應濺射在ITO玻璃上沉積氧化鎳薄膜的方法，利用該方法所制備的厚度為140nm的氧化鎳薄膜具有較長的著褪色時間，其中褪色時間為4.1s，著色時間為8.1s，而且循環穩定性較差；Atak等人在(SolidState Ionics，305(2017)43-51)公布了利用射頻反應磁控濺射在ITO玻璃上沉積氧化鎳薄膜的方法，所制備的氧化鎳薄膜在經過300度高溫處理后的調制幅度僅為4％；Lee等人在(Journal of Alloys and Compounds，2020(815)：152399)上公布了一種利用直流反應磁控濺射的方法制備氧化鎳以及摻鎢氧化鎳薄膜的方法，研究發現經過1000次CV循環后，氧化鎳薄膜有巨大的衰減，電荷存儲容量從12mC·cm^-2降至6mC·cm^-2，而光學調制幅度降至8％。