电致变色材料与器件.doc

电致变色的简介 电致变色的工作原理 电致变色薄膜的制备方法 电致变色的应用 电致变色的简介 电致变色是指材料的光学属性（反射率、透过率、吸收率等）在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料，用电致变色材料做成的器件称为电致变色器件。 早在本世纪30 年代就有关于电致变色的初步报道[1～3] 。 60 年代,Pkat 在研究有机燃料时,发现了电致变色现象并进行了研究[4] 。 70 年代初期,S.K.Deb 第一次研制出了一个薄膜电致变色器[5,6] 。 70 年代中期到80 年代初期,对电致变色现象的研究多局限于电子显示器件及其响应时间上[7,8] 。 在此期间,美国科学家C.M.Lampe 和瑞典科学家C.G.Granqvist 等人提出了以电致变色膜为基础的一种新型节能窗,称为灵巧窗———smartwindow[9～11] 。 电致变色材料的分类： 无机电致变色材料 无机电致变色材料的典型代表是三氧化钨，目前，以WO3为功能材料的电致变色器件已经产业化。 有机电致变色材料 有机电致变色材料主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。以紫罗精类为功能材料的电致变色材料已经得到实际应用。 按照物质的状态可分为:薄膜型(固体) 、析出型(固体和液体相互转化)和非析出型(溶液) 。 （二）电致变色的工作原理 电致变色的工作原理：??? 电致变色材料在外加电场作用下发生电化学氧化还原反应，得失电子，使材料的颜色发生变化。 以NiO薄膜为例； NiO薄膜电致变色机制 氧化镍由于结构的致密性(NaCl型结构)，上述的几种模型不能很好地解释NiO的变色过程，至今NiO 薄膜的变色机理仍有很多争议。根据电解质的不同，NiO的变色过程中可能发生如下反应[20]： NiO(bleached)+OH-=NiOOH(colored)+e- (1-5) Ni(OH)2(bleached)+OH-= NiOOH(colored)+e- (1-6) Ni(OH)2(bleached)= NiOOH(colored)+H++e- (1-7) Ni1-xO(as-deposited)+yM++ye-=MyNi1-xO(bleached) (1-8) MyNi1-xO(bleached)=My-zNiO(colored)+zM++ze (1-9) 式(1-5)和式(1-6) 表示电致变色过程中插入/抽出薄膜的离子是OH-，式(1-7) 表示电致变色过程中插入/抽出薄膜的离子为H+，比较可知，两者在反应物和生成物上比较相似。式(1-8)表示在电致变色过程中传输的离子是半径较小的碱金属离子，如Li+离子，经过预先漂白过程的氧化镍薄膜变色机理通常与该式吻合。研究NiO薄膜电致变色性能的过程中，多以NaOH等碱溶液为电解质。NiO在水溶液中并不稳定，常会与表面的NiO反应生成Ni(OH)2，同时，电解液中OH-离子的存在促进了Ni(OH)2的生成。根据Bode提出的机理[21]，薄膜变色主要是由通过Ni(OH)2脱氢反应，生成了含有Ni3+的NiOOH所导致的，总反应如式(1-6)所示。这种反应机理被广泛接受，但至今没有找到直接的证据进行证明。电致变色反应初期，反应仅发生在薄膜的表层，生成的Ni3+离子极少，电致变色的效果不明显。随着反应的进行，NiO在碱溶液中的不稳定性导致Ni(OH)2在薄膜内部逐渐生成，Ni(OH)2进一步脱氢产生的Ni3+数量也进一步增加，着色渐渐趋于完成。NiOOH具有层状结构，与内层的NiO之间的结合力不好，因此容易在表面剥落，同时NiOOH在碱溶液中有微量的溶解。当活化NiO生成NiOOH的速率小于溶解和剥落的速率时，薄膜的变色效果开始下降。研究[22]表明NiO薄膜的在NaOH等碱性电解质中，电化学过程分为3个阶段：活化过程、稳定过程和降解过程。 （三）电致变色薄膜制备方法 电致变色薄膜的变色特性主要是由其微观结构和化学组成决定的，不同的薄膜制备方法及工艺所制得的薄膜的原子堆积密度不同，其变色性能也会完全不同[23]。制备方法及工艺条件不同，得到的电致变色薄膜的微观结构、电致变色和电化学性能等有很大差异[24]，因此NiO和WO3薄膜具有的优良电致变色和电化学性能很大程度上受到制备方法和后期的处理工艺影响。薄膜的制备方法有很多，其中最常用的是磁控溅射法[25,26]、化学气相沉积法[27]、脉冲激光沉积[28.29]、溶胶凝胶法[30,31]和电化学沉