科學(xué)家解開電致變色薄膜不可逆奧秘

電致變色材料是可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能的關(guān)鍵“綠色”技術(shù)之一，目前已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的興趣。氧化鎢是目前研究最廣泛的電子材料之一，廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的“智能窗戶”。一種流行的電化學(xué)方法是將小離子可逆插入電極材料中。因此，氧化鎢薄膜可以通過在低電壓偏壓下調(diào)整鋰離子的插入，使其顏色由透明變?yōu)樯钏{(lán)色。

然而，鋰離子插入并不總是可逆的。經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)后，這些離子在薄膜中聚集并侵蝕電致變色效果。這反過來又會(huì)影響光學(xué)調(diào)制和長期耐用性。

在日前發(fā)表的一項(xiàng)研究中，來自日本東京科學(xué)大學(xué)和日本國家材料科學(xué)研究所的科學(xué)家們，合作定量評(píng)估插入鋰離子的氧化鎢薄膜的不可逆性。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的東京科學(xué)大學(xué)副教授Tohru Higuchi表示：“首先，不可逆的Li2WO4形成與不可逆的鋰離子俘獲是否不同？第二，這些不可逆的成分能共存嗎？常規(guī)措施無法區(qū)分這兩種不可逆成分。因此，我們進(jìn)行了定量研究，為這些問題提供了可靠的答案。”

研究人員設(shè)計(jì)了一種結(jié)合原位硬X射線光電子能譜（HAXPES）和電化學(xué)測量的定量評(píng)估方法。HAXPES用于研究埋藏界面，而電化學(xué)測試用于檢測腐蝕性能。鋰離子的插入導(dǎo)致氧化還原反應(yīng)，使鎢離子的氧化態(tài)由W6+變?yōu)閃5+。基于這一變化，HAXPES可以評(píng)估“可逆鋰離子”和“不可逆鋰離子俘獲”。然而，用HAXPES評(píng)價(jià)“不可逆的Li2WO4形成”具有挑戰(zhàn)性。

該研究的合著者、日本國家材料科學(xué)研究所的Takashi Tsuchiya解釋了原因：“Li2WO4中的W離子具有穩(wěn)定的氧化態(tài)，因?yàn)樗鼈円訵6+形式存在。因此，HAXPES無法評(píng)價(jià)Li2WO4形成的不可逆性。相反，電化學(xué)測量可以區(qū)分。”

為了進(jìn)行電化學(xué)測量，研究人員在鋰離子導(dǎo)電玻璃陶瓷（LICGC）平面上構(gòu)建了一個(gè)基于LixWO3的氧化還原晶體管。他們還構(gòu)建了一個(gè)電化學(xué)電池，以氧化鎢薄膜為半導(dǎo)體，LICGC襯底為電解質(zhì)進(jìn)行HAXPES測量。此外，他們還利用原位拉曼光譜來評(píng)估鎢離子插入對(duì)LixWO3結(jié)構(gòu)的影響。他們成功地確定了鎢離子插入引起的結(jié)晶度的增加。計(jì)算得到的不可逆鎢離子、不可逆Li2WO4形成和不可逆鎢離子俘獲的比例分別為41.4%、50.9%和 7.7%。