一种固态离子传导层及含该固态离子传导层的固态电致变色器件制造技术

本发明专利技术提供一种固态离子传导层及含该固态离子传导层的固态电致变色器件，所述固态离子传导层为锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜，所述锂铝氧化物薄膜的化学式为LiAlxOy，其中0.4≤x≤1.2，优选0.44≤x≤1，更优选0.45≤x≤0.67；0.5≤y≤3，优选0.5≤y≤2.5，更优选0.5≤y≤2。

A solid-state ion conducting layer and solid state electrochromic device containing the solid ion conducting layer

The invention provides a solid-state ion conducting layer and a solid-state electrochromic device containing the solid-state ion conducting layer. The solid-state ion conducting layer is a multi-layer film formed by alternating layers of lithium-aluminium oxide film and tantalum oxide film. The chemical formula of the lithium-aluminium oxide film is LiAlxOy, of which 0.4 < x < 1.2, and 0.44 < x < 1 is preferred. It is more preferable to be less than 0.45 X or less than 0.67; 0.5 or less than y 3, preferably 0.5 or less than y 2.5, and preferably 0.5 or less than y 2.

【技术实现步骤摘要】
一种固态离子传导层及含该固态离子传导层的固态电致变色器件
本专利技术涉及材料
，特别涉及一种具有特殊多层膜结构的固态离子传导层及含有该固态离子传导层的固态电致变色器件，可用于电致变色玻璃、显示器等

技术介绍
电致变色器件可在外界电场作用下可逆改变其透反射率等光学性能，可广泛应用于建筑玻璃以及汽车，列车，船舶，飞机等交通工具的窗口，达到舒适节能目的。同时，也可以用于各种显示器等半导体产品行业。在各种形式的电致变色器件中，结构中各膜层均为固态无机材料的全固态电致变色器件，由于调节效率高，稳定性好，因而具有最广泛的应用前景。典型的固态电致变色器件一般由透明基材及在透明基材上依次形成的第一透明导电层，第一电致变色层，离子传导层(或称电解质层)、第二电致变色层，第二透明导电层，和保护层构成。其中，离子传导层担负着电场作用下着色粒子移动的快速通道，其结构与制备工艺是保证器件性能最重要的技术之一。理所当然，全固态电致变色器件中的离子传导层也必须是无机固态物质。氧化钽(Ta2O5)由于具有低泄漏电流，高介电常数，快离子输送，以及较高的热力学和化学稳定性，是迄今电致变色器件中应用最广泛的无机离子传导膜。由于Ta2O5薄膜的制备可以使用金属钽靶材通过反应性直流磁控溅射实现，因而具有靶材制备容易，沉积效率高，适合大规模连续镀膜生产的优点。但是，Ta2O5离子传导层也存在若干不足，如：1)可见光透过率低；2)需采取锂化等附加工艺额外引入锂离子；3)若采用直接溅射钽酸锂的引入锂离子的工艺，则需采用钽酸锂陶瓷靶材进行射频磁控溅射，靶材复杂，沉积效率低，等等，对电致变色大规模器件制备工艺产生不良影响。针对现有上述问题，专利文献1(中国专利申请号：201710333624.9)提供了一种采用氧化铝锂陶瓷靶材和钽金属靶材通过共溅射方式获得一种含锂铝双离子的固态电解质(离子传导)层。但显而易见，采用共溅射的方式所形成的是一种混合物，其组成和结构难以控制；其次，共溅射中使用了氧化铝锂陶瓷靶材，因而不得不使用射频电源进行磁控溅射，沉积速率极低；并且，共溅射的方式是无法应用在大规模器件镀膜工艺上。类似地，专利文献2(中国专利申请号：201710240528.X)提供了一种离子传导层及其制备方法，包括制备无机固态介质层，并且制备单独的锂合金层，经通电使锂掺入无机固态介质层中(通电锂化)以形成含锂的离子传导层。但是，这种方式需要进行后续锂化工程，增加了工艺复杂性，其次，通电锂化并伴随锂合金层的消失，使含锂的离子传导层整体结构缺乏一致性和均匀性；并且，由于这种最终形成的离子传导层只能是一种化合物或混合物的单一膜层，其光学性能，如可见光透过率等，无法达到最佳的性能效果。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种由高低折射率材料交替而成的离子传导多层膜结构，通过结构优化设计可获得最佳光学效果，在成膜过程中直接导入锂离子而无需后续锂化工艺，多层膜形成工艺均使用金属靶材通过直流或中频磁控溅射方式得以实现，沉积速率快效率高，满足大规模快速镀膜需求。具体而言，本专利技术提供了一种所述固态离子传导层为锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜，所述锂铝氧化物薄膜的化学式为LiAlxOy，其中0.4≤x≤1.2，优选0.44≤x≤1，更优选0.45≤x≤0.67；0.5≤y≤3，优选0.5≤y≤2.5，更优选0.5≤y≤2。采用锂铝氧化物作为固态离子传导层(例如锂铝氧化物LiAlO2等)，是因为其本身为一种含锂透明离子导体，通过控制多层膜中的锂的成分比完全可以满足器件对电致变色性能的要求。同时，由于锂铝氧化物折射率相对较低(例如LiAlO2，n≈1.62)，除具有较高的可见光透过率外，并且可根据多层膜增透原理，与折射率较高的氧化钽(Ta2O5，n≈2.15)形成具有交替高低折射率物质的多层膜结构，获得比任一种单独薄膜更高的可见光透过率。其中，选择所述锂铝氧化物薄膜的化学式为LiAlxOy，其中0.4≤x≤1.2，优选0.44≤x≤1，更优选0.45≤x≤0.67；0.5≤y≤3，优选0.5≤y≤2.5，更优选0.5≤y≤2。而所述氧化钽薄膜为Ta2O5。应注意，如果需要引入较多的锂离子，LiAlxOy中x值应越小越好。但是，由于金属锂熔点低并具有极强的化学活泼型，其金属靶材很难制备；而若x值过高，虽然合金靶材稳定性高容易制备，但不能为结构提供足够的锂离子。y取值范围根据x范围而定，主要考虑实现膜层的可见光透过率等最佳光学性能。较佳地，为同时实现锂离子的供给并产生可见光增透效应，所述固态离子传导层至少包含一个锂铝氧化物薄膜和一个氧化钽薄膜(两者位置可以互换)。又，较佳地，所述多层膜至少包含一个锂铝氧化物薄膜并夹在两个氧化钽薄膜之间，或一个氧化钽薄膜夹在两个锂铝氧化物薄膜之间，根据多层膜干涉原理，多层膜可获得更好的增透效应。较佳地，所述锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜总层数为2～20，优选3～15，更优选3～5。当然，采用3层以上的多层膜结构可进一步提高多层膜的可见光增透效果并使锂离子扩散更加均匀。但考虑到实现大规模生产的工艺可行性，所述锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜总层数限定为2～20，优选3～15，更优选3～5。因为，膜层过多将增加设备和工艺的复杂性，膜层过少则增透效果不明显。较佳地，所述固态离子传导层总厚度设计为100nm～1000nm，优选200nm～600nm。因为，总厚度过大，则沉积时间长效率低；过小，不能起到足够的离子储存与传导效应。在对各层膜厚进行结构设计时，应同时满足提供足够的锂离子及实现最大光学效果的需求。较佳地，所述锂铝氧化物薄膜的厚度为10～500nm，优选为50～400nm；所述氧化钽薄膜的厚度为50～500nm，优选为50～200nm。依据多层膜增透原理，所述具有多层膜结构的固态离子传导层，其可见光透过率高于同等膜厚的锂铝氧化物单层膜或氧化钽单层膜；同时，结构充分利用氧化钽优异的离子传导性和稳定性；同时，结构提供了足够的锂离子，满足器件的变色需求；最后，多层膜均可使用金属靶材实现高效率制备。较佳地，所述固态离子传导层(多层膜固态离子传导层)中的锂铝氧化物薄膜使用铝锂合金靶材通过反应性磁控溅射方式制备，所述铝锂合金靶材为AlLix组成的固溶体、Al2Li3晶相、和Al4Li9晶相中的至少一种。也就是说，铝锂合金靶材可采用组成为AlLix(例如，x可≈1)的固溶体合金，或组成为Al2Li3或Al4Li9的合金中的任何一种，或其中两种以上的混合合金。较佳地，所述锂铝氧化物薄膜制备参数为：本底真空1×10-5～5×10-3Pa，基底温度为20℃～200℃，镀膜时间为1～60min，工作气氛为含氧气和氩气气氛，工作气压为0.5～5Pa，溅射功率密度为1～10W/cm2。较佳地，所述氧化钽薄膜使用金属钽靶材通过反应性磁控溅射方式制备；优选地，所述氧化钽薄膜制备参数为：本底真空1×10-5～5×10-3Pa，基底温度为20℃～200℃，镀膜时间为1～60min，工作气氛为含氧气和氩气气氛，工作气压为0.5～5Pa，溅射功率密度为1～10W/cm2。应注意，氧化钽为公知的电致变色固态离子传导层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态离子传导层，其特征在于，所述固态离子传导层为锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜，所述锂铝氧化物薄膜的化学式为LiAlxOy，其中0.4≤x≤1.2，优选0.44≤x≤1，更优选0.45≤x≤0.67；0.5≤y≤3，优选0.5≤y≤2.5，更优选0.5≤y≤2。

【技术特征摘要】
1.一种固态离子传导层，其特征在于，所述固态离子传导层为锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜，所述锂铝氧化物薄膜的化学式为LiAlxOy，其中0.4≤x≤1.2，优选0.44≤x≤1，更优选0.45≤x≤0.67；0.5≤y≤3，优选0.5≤y≤2.5，更优选0.5≤y≤2。2.根据权利要求1所述的固态离子传导层，其特征在于，所述多层膜至少包含一个锂铝氧化物薄膜和一个氧化钽薄膜。3.根据权利要求2所述的固态离子传导层，其特征在于，所述多层膜至少包含一个锂铝氧化物薄膜并夹在两个氧化钽薄膜之间，或一个氧化钽薄膜并夹在两个锂铝氧化物薄膜之间。4.根据权利要求1-3中任一项所述的固态离子传导层，其特征在于，所述锂铝氧化物薄膜和氧化钽薄膜交替层叠而成的多层膜总层数为2～20，优选3～15，更优选3～5。5.根据权利要求1-4中任一项所述的固态离子传导层，其特征在于，所述固态离子传导层总厚度为100nm～1000nm，优选为200nm～600nm。6.根据权利要求1-5中任一项所述的固态离子传导层，其特征在于，所述锂铝氧化物薄膜的厚度为10～500nm，优选为50～400nm；所述氧化钽薄膜的厚度为50～500nm，优选为50～200nm。7.根据权利要求1-6中任一项所述的固态离子传导层，其特征在于，所述固态离子传导层中的锂铝氧化物薄膜使用铝锂合金靶材通过反应性磁控溅射方式制备，所述铝锂合金靶材为AlLix组成的固溶体、Al2Li...

【专利技术属性】
技术研发人员：金平实，曹逊，罗宏杰，包山虎，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31