● 摘要
电致变色是材料在紫外、可见、近红外区域的光学特性(透射率、反射率或吸收率)在外加电场作用下表现出稳定的可逆变化的一种现象，其在外观上则表现为颜色和透光性的可逆变化。具有这种电致变色性能的材料统称为电致变色材料，而用电致变色材料制成的器件即为电致变色器件。由于电致变色器件这一特殊性能，使其在诸如显示器、智能调光玻璃、防眩后视镜、红外可调表面等领域有着广泛的应用前景。本文仅采用磁控溅射法在未加热、冷却基底的条件下制备了组成电致变色多层薄膜器件的各层材料，研究了这些材料的光学、电学、结构等物理性能，并将各层薄膜优化工艺的兼容匹配制备得到了具有明显电致变色性能的全固态无机电致变色器件。为了获得大面积具有均匀优异光电性能的透明电极，首先在室温下，采用直流磁控溅射法制备了透明电极层掺铝氧化锌(ZnO:Al,ZAO)薄膜。研究了靶基距，溅射功率，外加氧气流量三个制备条件对于基片上不同区域薄膜的透光、导电、晶体结构、化学成分等性能的影响规律。结合磁控溅射的机理对薄膜性能非均匀分布的物理根源进行了讨论，确定了在磁控溅射过程中产生的高能氧负离子及高能中性氧原子的非均匀轰击是造成薄膜光电性能非均匀分布的根源。综合相关研究结果，明确了采取相应措施避免高能氧粒子对薄膜的轰击是室温下制备高质量ZAO薄膜的关键，并提出了在实验室环境下可行的解决方案。通过屏蔽高能氧粒子的轰击破坏，最终在聚酰亚胺（PI，10 cm × 10 cm）基片上成功制备了方块电阻小于10 Ω/□，可见光透过率大于80%的ZAO薄膜。采用高纯金属钨靶材，用室温磁控溅射法制备了WO3电致变色薄膜层。研究确定了当用常规的基片与靶材正对的方式溅射制备WO3薄膜时，存在的薄膜变色性能极度不均匀的问题是由于溅射中高能氧粒子的非均匀轰击使得基片上不同区域薄膜电子电导明显不同所致。借鉴ZAO薄膜研究的结果，采用靶头斜置的方式解决了WO3薄膜变色不均匀的问题，并在室温下溅射制得具有良好均匀变色性能的WO3薄膜。在靶头斜置下系统研究了氧气流量、溅射功率、薄膜厚度对薄膜晶体结构、调光等性能的影响。讨论验证了关于WO3薄膜变色机理的电子离子双注入模型。在室温下，溅射功率160 W，氧氩比50/50 sccm，溅射时间为20 min时成功制备了具有优良变色性能的WO3薄膜，该薄膜具有相对优良的循环稳定性，可见光调制幅度可达64%。用固相烧结法制备了Li4Ti5O12粉体，并采用热压烧结法制备了溅射所需的高质量Li4Ti5O12靶材。在基底不加温的条件下，采用射频磁控溅射的方法对全固态电致变色器件中所需的Li+离子导电和储存Li4Ti5O12薄膜进行了制备。系统研究了溅射功率、溅射时间、氧流量对薄膜晶体结构，组织形貌等性能的影响。设计加工了一套用于制备全固态电致变色器件的多靶溅射系统，将Li4Ti5O12薄膜同ZAO及WO3组合，得到了具有明显变色性能的全固态电致变色器件。讨论了ZAO/LTO/WO3/ZAO固态薄膜器件电致变色的机理及动力学模型。