“智能窗”大规模推广顺应可持续发展潮流, 三氧化钨(WO3)是生产“智能窗”的一种重要电致变色材料, 但调控WO3薄膜电致变色性能机制仍待进一步研究。采用旋涂法制备WO3薄膜, 重点研究了溶液浓度和旋涂次数对调控WO3薄膜电致变色性能的影响。通过表面轮廓仪测量薄膜厚度, X射线衍射(XRD)测量薄膜结晶情况, 原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)分析薄膜表面形貌, 光谱仪测量薄膜初始态、着色态和褪色态的透射率。实验结果表明, 随着溶液浓度增加(0.2~1.0 mol/L), 薄膜厚度从9.7 nm增加到33.3 nm,透射率调制能力从0%提升到37.0%; 多次旋涂薄膜厚度线性增长, 线性拟合优度(R2)达0.98, 5次旋涂后透射率调制能力达51.3%。改变溶液浓度和旋涂次数都是调控薄膜透射率调制能力的有效手段, 精准调控薄膜透射率调制能力对设计不同应用场景的电致变色器件具有重大意义。

采用旋涂法在玻璃基底上制备SnO2薄膜, 通过原子力显微镜(AFM)、X射线反射(XRR)、傅氏转换红外线光谱仪(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见分光光度计、四探针、开尔文探针系统对薄膜的表面形貌、结构及光学特性、电学特性进行分析, 探讨了退火温度对薄膜质量的影响及作用机制。研究发现: 随着退火温度升高, 薄膜厚度和有机成分杂质减小, 薄膜密度递增, 但薄膜表面粗糙度有所上升; 当退火温度升高至500 ℃时, 薄膜结构由非晶转变为结晶, 其主要晶面为氧化锡的(110)、(101)和(211)晶面。旋涂法制备的氧化锡薄膜在可见光区域的平均透光率在90%以上, 随着退火温度上升, 薄膜在400~800 nm波段的透光率先减小后增大, 薄膜的带隙宽度分别为3.840 eV(沉积态薄膜)、3.792 eV(100 ℃)、3.690 eV(300 ℃)和3.768 eV(500 ℃); 薄膜的电导率也随着退火温度升高而增加, 在500 ℃时电导率高达916 S/m; 薄膜的功函数先增大后减小, 分别为(4.61±0.005) eV(沉积态薄膜)、(4.64±0.005) eV(100 ℃)、(4.82±0.025) eV(300 ℃)、(4.78±0.065) eV(500 ℃)。

采用五水合氯化锡配制前驱体溶液,通过旋涂法在玻璃基底上制备了一种可见光平均透射率在90%以上的氧化锡透明薄膜。研究发现,对玻璃基底进行等离子预处理有助于改善氧化锡薄膜的表面质量。当等离子处理功率为25 W时,薄膜表面质量最佳。在低于500 ℃下,升高退火温度不仅可减少薄膜中的有机成分残留,而且可在不改变薄膜物相的情况下增大薄膜的光学带隙。退火温度为500 ℃时,薄膜开始发生由非晶到多晶的转变。

研究了柔性非晶硅掺杂氧化锡(SiSnO,STO)薄膜晶体管的电学特性及其在弯曲状态下的电学特性。通过射频磁控溅射在聚酰亚胺(Polyimide,PI)衬底上制备出了柔性非晶硅掺杂氧化锡薄膜晶体管。通过对比不同退火温度的器件性能, 发现在300 ℃能获得最佳器件性能, 其饱和迁移率达到2.71 cm2·V-1·s-1, 开关比高于106, 亚阈值摆幅为1.95 V·dec-1, 阈值电压为2.42 V。对器件在不同曲率半径(5, 10, 20, 30 mm)状态下进行输出特性和转移特性测试, 发现其在弯曲状态下仍具有良好的电学性能。

讨论了基本的EC器件结构设计、被广泛应用的阴极氧化物材料(WO3)的结构以及改善其性能的一些方法和新型固体电解质材料。最后, 对EC器件的未来发展做了展望。