一种氧化镍电致变色薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种氧化镍电致变色薄膜及其制备方法与应用。所述制备方法包括：以共掺杂的M

【技术实现步骤摘要】
一种氧化镍电致变色薄膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种氧化镍薄膜的制备方法，特别涉及一种氧化镍电致变色薄膜及其制备方法，特别用于提升常规电致变色器件中离子储存层氧化镍薄膜性能的方法，满足未来高性能电致变色器件稳定持久的使用需求，属于电致变色器件与应用


技术介绍

[0002]目前利用外加电压调节锂离子与电子的双注入进而实现快速、可逆光学切换的电致变色器件已经在建筑节能、现代显示、汽车后视镜、飞机舷窗等领域得到应用。上述应用对电致变色器件的基本要求为：光调制范围宽、循环稳定性好、机械性能稳定、可大面积制备以及响应速度快。
[0003]常规的电致变色器件由透明电极层、电致变色层、电解质层以及离子储存层(对电极层)所组成，其中典型的电致变色层材料为氧化钨，而离子储存层的典型材料为氧化镍。氧化镍是一种阳极变色材料，在电场的作用下，锂离子与电子的同时注入，实现着色态与褪色态的相互转变(公式1)，该过程与氧化钨着褪色状态形成互补关系，在储存Li离子的同时进一步提升电致变色器件的光学调制幅度。
[0004]NiO
x
(着色态)+yLi++ye
‑
<＝>Li
y
NiO
x
(褪色态)
ꢀꢀ
(1)
[0005]氧化镍薄膜制备方法主要有热蒸发、溶胶
‑
凝胶以及磁控溅射等。其中，磁控溅射具有成分均一、薄膜与基底附着强、室温溅射、可大面积沉积等优点而得到广泛使用。然而对于现有应用于电致变色器件上的磁控溅射沉积的氧化镍薄膜而言，还存在如下不足之处：光学调制幅度差、不充足的离子储存能力、响应时间慢、较低的褪色态透过率以及棕黄色的褪色态不利于商业化的应用等。例如，Idris Sorar等人在(Journal of The Electrochemical Society，2020(167)：116519)公布了一种利用直流反应磁控溅射在ITO玻璃上沉积氧化镍薄膜的方法，利用该方法所制备的厚度为130nm的氧化镍薄膜具有约7％的光学调制幅度，电荷储存容量为18C/g，而且循环稳定性较差；Wang等人在(Journal of Alloys and Compounds，2020(821)：153365)公布了利用直流反应磁控溅射在ITO玻璃上沉积氧化镍薄膜的方法，所制备的氧化镍薄膜的调制幅度为20％；Lee等人在(Journal of Alloys and Compounds2020(815)：152399)上公布了一种利用直流反应磁控溅射的方法制备氧化镍以及掺钨氧化镍薄膜的方法，研究发现经过1000次CV循环后，氧化镍薄膜有巨大的衰减，电荷存储容量从12mC/cm2降至6mC/cm2，而光学调制幅度降至8％，褪色态的颜色依然呈现棕黄色，在掺入少量的钨元素后，氧化镍薄膜的稳定性有所提升，但是光调制幅度提升不明显，约10％左右，而褪色态的颜色依然呈现棕黄色。
[0006]此外，目前氧化镍薄膜磁控溅射沉积所采用的生长方法大部分为金属镍靶材的反应溅射，例如，CN109402565A公开了一种氧化镍薄膜的生长方法，以金属镍靶作为镀膜靶材，以氩气作为溅射气体，氧气作为反应气体，实现氧化镍薄膜的制备。但是氧化镍靶材的反应溅射对于产业界大面积薄膜的均匀快速沉积而言仍然面临如下问题：(1)薄膜的性能严重依赖氧气的含量，溅射腔体中氧气的微弱变化或者波动，会严重影响薄膜的电致变色
特性和大面积的均匀性；(2)在高氧气氛下溅射，靶材表面容易“中毒”，溅射电压和功率很难提升，而且溅射速率下降也比较严重，很难实现高效的薄膜沉积。
[0007]针对上述氧化镍材料应用的不足，需要以氧化镍陶瓷靶材为基础，从靶材成分、镀膜工艺以及薄膜后处理等方面着手进一步提升氧化镍电致变色薄膜的性能，满足高性能电致变色器件的应用需求。

技术实现思路

[0008]本专利技术的主要目的在于提供一种氧化镍电致变色薄膜及其制备方法，从而克服了现有技术中的不足。
[0009]本专利技术的另一目的还在于提供所述氧化镍电致变色薄膜在电致变色器件中的应用。
[0010]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0011]本专利技术实施例提供了一种氧化镍电致变色薄膜的制备方法，其包括：
[0012]采用磁控溅射技术，以共掺杂氧化镍M
x
T
y
Ni
z
O为阴极靶材，以惰性气体为工作气体，在基体表面沉积形成氧化镍薄膜，其中，第一掺杂元素M包括锂、钠、钾、铷、铯中的至少一种，第二掺杂元素S包括铝、硅、锆中的至少一种，其中x∶y∶z＝(0.1～1)∶(0.01～0.5)∶1；以及，
[0013]对所获氧化镍薄膜进行快速热退火处理，获得氧化镍电致变色薄膜。
[0014]在一些优选实施例中，所述磁控溅射技术采用的工艺条件包括：溅射方式为射频溅射或者中频溅射，工作气体为惰性气体，基体温度为25～200℃，反应腔室本底真空度为0.1
×
10
‑2Pa～10
×
10
‑2Pa，溅射气压为0.4～2.0Pa，溅射功率密度为2.2W/cm2～6.6W/cm2，沉积时间为20～60mm。
[0015]在一些优选实施例中，所述制备方法包括：将所述氧化镍薄膜置于快速退火设备中，在空气气氛下，以30～100℃/s的升温速率升温至300～600℃，并保温1～10min，之后冷却，再于100℃以下取出，获得氧化镍电致变色薄膜。
[0016]本专利技术实施例还提供了由前述方法制备的氧化镍电致变色薄膜，所述氧化镍电致变色薄膜光滑紧实，具有(111)的择优取向以及均匀分布的针孔状结构，其至少用以在电致变色过程中为锂离子快速移动提供大量的通道，有助于提升薄膜的电致变色响应速度，氧化镍褪色态的透过率和光学调制幅度较高，具有较高的电荷容量和较高的循环稳定性，具有快速的着褪色响应时间。
[0017]本专利技术实施例还提供了前述氧化镍电致变色薄膜在制备电致变色器件中的用途。
[0018]本专利技术实施例还提供了一种离子储存层，其包括前述的氧化镍电致变色薄膜。
[0019]本专利技术实施例还提供了一种电致变色器件，其包括前述的离子储存层。
[0020]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：
[0021]1)本专利技术提供的氧化镍电致变色薄膜的制备方法能促进氧化镍薄膜实现较为明显的(111)择优取向生长，(111)晶面的更多暴露能够储存更多的锂离子，有助于提升薄膜的锂离子存储容量；
[0022]2)本专利技术提供的氧化镍电致变色薄膜的制备方法能促进薄膜形成含有均匀分布针孔的光滑紧实的结构，为锂离子在电致变色过程中快速移动提供大量的通道，有助于提
升薄膜的电致变色响应速度；
[0023]3)本专利技术提供的氧化镍电致变色薄膜的制备方法能明显增加氧化镍褪色态的透过率和光学调制幅度，褪色态颜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化镍电致变色薄膜的制备方法，其特征在于包括：采用磁控溅射技术，以共掺杂氧化镍M
x
T
y
Ni
z
O为阴极靶材，以惰性气体为工作气体，在基体表面沉积形成氧化镍薄膜，其中，第一掺杂元素M包括锂、钠、钾、铷、铯中的至少一种，第二掺杂元素S包括铝、硅、锆中的至少一种，x:y:z＝(0.1～1):(0.01～0.5):1；以及，对所获氧化镍薄膜进行快速退火处理，获得氧化镍电致变色薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射技术采用的工艺条件包括：溅射方式为射频溅射或者中频溅射，工作气体为惰性气体，基体温度为25～200℃，反应腔室真空度为0.1
×
10
‑2Pa～10
×
10
‑2Pa，溅射气压为0.4～2.0Pa，溅射功率密度为2.2W/cm2～6.6W/cm2，沉积时间为20～60min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述惰性气体包括氩气。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：将所述氧化镍薄膜置于快速退火设备中，在空气气氛下，以30～100℃/s的升温速率升温至300～600℃，并保温1～10...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晔，宋伟杰，吴超，兰品军，谭瑞琴，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：