一种电致变器件及其制备方法与流程

1.本技术涉及材料领域，具体涉及一种电致变器件及其制备方法。

背景技术：

2.电致变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可逆的颜变化的现象，在外观上表现为颜和透明度的可逆变化。具有电致变性能的材料称为电致变材料，用电致变材料制作的变器件称为电致变器件。近年来在航空、汽车等领域已有产品采用电致变玻璃，进一步调动了该技术的开发热潮。随着相关技术的进一步成熟和生产成本的降低，电致变技术将迎来更广泛的市场应用。
3.电致变器件有多种类型，根据其电极和电解质状态大致可分为液态、凝胶态、固态三种。其中整体为无机材料的固态电致变器件具有最优的环境稳定性、安全性和适用性，以及优异的循环寿命。无机全固态电致变器件主要由基材/盖板(玻璃等透明或反光材质)、底电极、顶电极、电致变层、离子存储层和电解质层组成。其中电解质层的性能与器件记忆性能、变速度、工作能耗和循环寿命密切相关。
4.目前常见报道的无机固态电解质主要有ta2o5、litao3、nb2o3、linbo2等金属氧化物和它们的含锂盐。以上材料需要用到ta、nb等较为稀少的金属，通常需要高温制备，且在大规模商品化后会产生资源瓶颈。同时由于这种类型电解质电子阻隔能力差，容易产生漏电流，导致器件颜记忆效果差，如果需要维持一定的颜或透过率，就需要持续施加电压，抵消漏电流影响。这样会导致器件能耗提升，器件寿命下降。此外，由于这些材质在电子阻隔能力方面性能较差，因而需要沉积较高的厚度来提高电子阻隔性，相应厚度通常达到数百纳米，制备时间长。较厚的薄膜制备时不仅降低了器件的制备效率，还增加了成本和损耗。
5.为此，提出本发明。

技术实现要素：

6.本发明的主要目的是提供一种电致变器件及其制备方法，解决了现有技术工艺温度高、原料昂贵、电子阻隔能力差、电解质层过厚的问题。
7.为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。
8.本发明的第一方面提供了一种电致变器件，其包括由下至上依次堆叠的：载体、底电极、第二层、电解质层、第四层和顶电极；所述第二层和第四层中的其中一个为电致变层，另一个为离子存储层；所述电解质层采用sio2。
9.本发明采用sio2作为电解质层，代替ta2o5、litao3、nb2o3、linbo2等昂贵材料，解决了现有技术存在的诸多问题。例如：sio2在常温条件即可溅射形成，全器件制备过程可采用室温制备，因此可以适用于聚合物基底等不耐温基材。sio2中的元素都属于丰量元素，不会发展成为资源瓶颈。sio2作为电解质膜层电子阻隔能力高，不存在显著的漏电流效应，因此在使用能耗和循环寿命方面性能得到显著提高。sio2厚度仅有数十纳米，远低于传统电解
质厚度，并且具有优良的电子阻隔性能，因此在制备效率和成本方面优势得到显著提高。
10.另外，相比多层电解质结构的电致变器件，本发明采用sio2单层电解质的结构更简单，更容易制备，且单层电解质厚度薄，漏电流低，有利于变响应速度提高。
11.本发明中各层的材料和厚度还可以进一步优化，以改善记忆性能、变速度、工作能耗和循环寿命等性能，如下文列举。
12.进一步地，所述电致变层采用li
x
wo3，x为0.2～1。
13.当锂的掺杂浓度满足以上条件时，能达到变的技术效果。
14.进一步地，所述离子存储层采用nio，其与li
x
wo3变层具有更好的适配效果，能同时改善记忆性能、变速度、工作能耗和循环寿命等性能。
15.进一步地，所述底电极和所述顶电极采用ito，这种电极材料具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性，到目前为止具有突出优势。
16.进一步地，所述载体为玻璃，或者其他基材，基材根据器件应用领域而定。
17.进一步地，所述底电极和所述顶电极的厚度各自独立地为50nm～500nm。
18.进一步地，所述电解质层的厚度为20～150nm，该厚度远小于现有电致变器件中电解质层的厚度，能够大幅提高变速度。
19.进一步地，所述电致变层的厚度为100～500nm。
20.进一步地，所述离子存储层的厚度为100～400nm。
21.在一些实施方式中，各层的厚度同时满足以上条件，将具有更好的适配性，在记忆性能、变速度、工作能耗和循环寿命等方面都有改善。
22.本发明的第二方面提供了上文所述的电致变器件的制备方法，其包括：在所述载体上依次沉积底电极、第二层、电解质层、第四层和顶电极；其中，优选采用室温磁控溅射法或电子束蒸发法形成所述电解质层。
23.该方法与现有电致变器件的制备工艺兼容，只需要调整材料即可。
24.本发明中的“室温”通常指是指不主动加热和制冷的状态。
25.进一步地，所述电解质层在0.5～3pa的气压下磁控溅射而成，溅射功率密度优选2～10w/cm2；磁控溅射电解质层时优选以si为靶材，优选在ar:(ar-o2)a流量比为15～20:14的气氛中进行，(ar-o2)a指ar与o2以9:1的混合气体。本发明采用磁控溅射方式比热蒸发可控性高，更适合工程化制备。
26.另外，本发明还可以sio
x
(0＜x＜2)为靶材，适应性调整气流中各气体流量比，磁控溅射形成sio2。
27.进一步地，所述电致变层包括两步：沉积wo3和沉积锂，优选采用真空物理溅射沉积锂，真空物理溅射的气压优选0.5pa以下，该方法能够使锂更均匀地渗入wo3中。沉积sio2和沉积锂的顺序可以互相调换。
28.综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
29.(1)以sio2代替现有电致变器件中的电解质材料，满足室温制备需求、不存在原料昂贵、电子阻隔能力差、电解质层过厚的问题。
30.(2)将高气压磁控溅射技术应用于sio2的制备，易获得共形性良好、元素分布均匀的膜层。
31.(3)电致变层中的锂以真空物理沉积技术掺杂，能够提高变响应速度。
32.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。
附图说明
33.通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：
34.图1为实施例1的电致变器件结构示意图；
35.图2(a)至(e)为实施例1的电致变器件的光电性能，其中，(a)光学调节透过率数据图；(b)-1.8v着40s和+1.5v褪30s707nm波长透过率随时间变化图；(c)关于图(b)的电流密度与时间关系曲线；(d)该电致变器件在707nm波长的光密度与电荷密度曲线；(e)该电致变器件循环寿命测试数据图。
具体实施方式
36.下面将结合附图对本技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本技术的保护范围。
37.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术；本技术的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
38.在本技术实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本技术实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
39.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
40.在本技术实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
41.实施例1
42.首先清洗7ω/
□
ito玻璃，采用去离子水、无水乙醇和丙酮，依此超声清洗10分钟，干燥后传入真空镀膜设备进行膜层沉积。首先沉积电致变层wo3，然后沉积金属锂，沉积量为x≈0.5(li
x
wo3)，锂金属浸入到wo3层，再沉积电解质层sio2，再沉积离子存储层nio，最后沉积顶电极(全部靶材直径7.5cm，具体工艺参数见下表1)。
43.表1实施例1中沉积工艺条件
[0044][0045]
a ar+o2混合气比例为(ar∶o2＝9∶1)
[0046]
该实施例的结构如图1，由下至上依次为：载体001、底电极002、电致变层003、电解质层004、离子存储层005和顶电极006。在其他实施例中，电致变层003和离子存储层005的顺序可以调换。
[0047]
该实施例的电致变性能如图2(a)至(e)，该结果显示本发明的器件在记忆性能、变速度、工作能耗和循环寿命等性能方面都表现优异。
[0048]
实施例2-3
[0049]
与实施例1的区别在于锂的掺杂浓度有区别，x分别为x＝0.2和x＝1，其余同实施例1。
[0050]
对比例1
[0051]
与实施例1的区别在于沉积电解质层sio2时的气压调整为0.3pa，其余同实施例1。
[0052]
对比例2
[0053]
与实施例1的区别在sio2电解质层的厚度比例不同，电解质层的厚度分别为20nm和150nm，其余同实施例1。
[0054]
比较上述实施例和电解质厚度所得器件的性能，结果显示：当锂的掺杂浓度较低时，器件着态较浅，透过率调节范围显著变窄；当锂离子含锂较高时，器件褪态颜较深，说明锂离子难以完全从电致变层脱出，相应的透过率调节范围也较窄。当电解质层sio2沉积气压较低时，器件膜层较为致密，器件着褪速度显著降低，着褪施加的电压也相应升高。当电解质层sio2厚度较低时，漏电流相对较大；随着厚度增加，漏电流显著减小，着褪速度和透过率调节范围性能提高；当厚度进一步增加时，器件着褪速度降低，变电压升高，这可能主要与电解质层厚度进一步增加，离子传导速率降低相关。
[0055]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本技术的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本技术并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

技术特征：

1.一种电致变器件，其特征在于，包括由下至上依次堆叠的：载体、底电极、第二层、电解质层、第四层和顶电极；所述第二层和第四层中的其中一个为电致变层，另一个为离子存储层；所述电解质层采用sio2。2.如权利要求1所述的电致变器件，其特征在于，所述电致变层采用li
x
wo3，x为0.2～1。3.如权利要求2所述的电致变器件，其特征在于，所述离子存储层采用nio。4.如权利要求1所述的电致变器件，其特征在于，所述底电极和所述顶电极采用ito；和/或，所述载体为玻璃。5.如权利要求1-4任一项所述的电致变器件，其特征在于，所述底电极和所述顶电极的厚度各自独立地为50～500nm。6.如权利要求1-4任一项所述的电致变器件，其特征在于，所述电解质层的厚度为20～150nm。7.如权利要求1-4任一项所述的电致变器件，其特征在于，所述电致变层的厚度为100～500nm；和/或，所述离子存储层的厚度为100～400nm。8.权利要求1-7任一项所述的电致变器件的制备方法，其特征在于，包括：在所述载体上依次沉积底电极、第二层、电解质层、第四层和顶电极；其中，优选采用室温磁控溅射法或电子束蒸发法形成所述电解质层。9.权利要求8所述的电致变器件的制备方法，其特征在于，所述电解质层在0.5～3pa的气压下磁控溅射而成，溅射功率密度优选2～10w/cm2；磁控溅射电解质层时优选以si为靶材，优选在ar:(ar-o2)
a
流量比为15～20:14的气氛中进行，(ar-o2)
a
指ar与o2以9:1的混合气体。10.权利要求8所述的电致变器件的制备方法，其特征在于，所述电致变层包括两步：沉积wo3和沉积锂，优选采用真空物理溅射沉积锂，真空物理溅射的气压优选0.5pa以下。

技术总结

本发明涉及一种电致变器件及其制备方法。一种电致变器件，其包括由下至上依次堆叠的：载体、底电极、第二层、电解质层、第四层和顶电极；所述第二层和第四层中的其中一个为电致变层，另一个为离子存储层；所述电解质层采用SiO2。本发明解决了现有技术工艺温度高、原料昂贵、电子阻隔能力差、电解质层过厚的问题。题。题。