本发明涉及电致变色节能复合薄膜领域,具体涉及一种具有纳米镶嵌结构的ito/wo3复合电致变色薄膜及其制备方法。
背景技术:
所谓电致变色是指在外加电压或电场的作用下,材料颜色或透过率发生稳定可逆的变化。电致变色效应的研究要追溯到1966年deb对非晶态wo3薄膜的制备,自此国内外学者围绕电致变色薄膜及其应用进行了深入广泛的研究。目前,电致变色材料被认为是最有应用前景的智能材料之一,在智能窗(smartwindow)、汽车防炫后视镜、电致变色显示器等方向具有巨大的潜在应用价值。
在众多的电致变色材料中,wo3作为最常见的无机阴极电致变色材料,具有廉价无毒性能优越稳定等优点,受到广泛关注。一般wo3薄膜的制备方法包括化学气相沉积、射频溅射以及一些湿化学的方法,例如溶胶凝胶,喷雾热解法,这些方法制备的wo3薄膜往往由于结构比较致密,其中离子或电子的迁移受到影响,往往光谱调制幅度不高,响应时间较长,变色效率不高。ito纳米晶是一种具有优异化学活性的透明导电纳米晶材料,小尺寸的ito纳米晶和wo3复合形成具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜,ito纳米晶在wo3基体中形成纳米镶嵌结构,可以在薄膜中形成ito/wo3异质结,同时薄膜导电性增强,增强wo3的电致变色性能,可作为阴极致色材料与nio等阳极电致变色配对组成互补型全固态电致变色器件。
技术实现要素:
本发明的目的在于提供一种调制幅度大,响应时间快,变色效率高的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合电致变色薄膜及其制备方法。
本发明所采用的具体技术方案如下:
一种具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合电致变色薄膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)将制备的ito纳米晶溶于非极性有机溶剂,得到纳米晶溶液;
(2)向纳米晶溶液中添加极性溶剂dmf(二甲基甲酰胺)和配体交换剂四氟硼酸亚硝鎓(nobf4),静置或者低速离心处理,将ito纳米晶转移到极性溶剂dmf中,形成ito纳米晶体的dmf溶液;
(3)向ito纳米晶的dmf溶液中添加钨源前驱体,形成复合溶液;
(4)向复合溶液中添的乙醇以调节粘度和表面张力;
(5)将步骤(4)制得的溶液采用旋涂、提拉法或喷涂法涂覆在基板上成湿膜;
(6)所述的湿膜在空气中退火,制得wo3薄膜。
本发明中,首先将只能溶解于非极性有机溶剂中的ito纳米晶转移到能溶解钨源前驱体的极性dmf溶液中,以钨源前驱体和ito纳米晶共溶在dmf溶液中形成复合溶液,加入乙醇以调节溶液的粘度和表面张力,通过旋涂、提拉法或喷涂等方法将复合溶液均匀的涂覆在基板上,然后在空气条件下热处理,形成ito/wo3纳米复合电致变色薄膜。
作为优选的,溶剂热法制备ito纳米晶,并控制ito纳米晶平均粒径为3~20nm。
本发明中,通过溶剂热法制备ito纳米晶,该方法所制备的纳米晶易溶于非极性有机溶剂,得到纳米晶溶液,溶剂热法有多种配方可以制备ito纳米晶,必须控制ito纳米晶的尺寸在3~20nm,小于3nm的ito纳米晶目前尚没有很好的可控制备方法,大于20nm的ito纳米晶比表面积太小,接下来形成的复合薄膜电致变色性能太差。
将ito纳米晶通过配体交换转移到极性溶剂中,极性溶剂为dmf,以便后续能溶解钨源前驱体形成复合溶液。作为优选的,所述配体交换剂四氟硼酸亚硝鎓的添加量和纳米晶的质量比为1:10;dmf添加量根据ito纳米晶质量决定,应保证在得到的dmf溶液中,ito纳米晶的浓度低于0.5g/ml。
作为优选的,所述的钨源前驱体为偏钨酸铵,在所述的复合溶液中,ito和偏钨酸铵的质量比为0.05~0.5。
作为优选的,向复合溶液中添加乙醇以调节粘度和表面张力,乙醇和dmf的体积比为1:4。乙醇太少的话成膜质量差,乙醇太多的话容易导致纳米晶聚沉。
本发明中,将制得的复合溶液涂覆在基板上,所述的基板是ito导电玻璃或fto导电玻璃,基板在涂覆溶液前需进行清洗,有助于提高偏钨酸铵溶液在基板上的涂覆效果,改善复合薄膜的性能。具体清洁步骤如下:在丙酮中将ito导电玻璃或fto导电玻璃超声清洗30min,去离子水冲洗3次后放入去离子水中超声30min,再用去离子水冲洗3次后在乙醇进行超声30min操作,以充分洗净ito导电玻璃或fto导电玻璃表面附着的油脂、灰尘等。将复合溶液涂覆至基板上的方法很多,可以采用旋涂、提拉法或喷涂法涂覆。
作为优选的,在所述的步骤(6)中,制得的湿膜经高温热处理,制得所述的ito/wo3纳米复合薄膜。热处理的气氛为空气,热处理的温度范围为300-400℃,温度过高,基底方电阻会增大,不利于光学性能。
一种具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合电致变色薄膜,采用上述的制备方法获得。
作为优选的,ito纳米晶纳米镶嵌在wo3基体材料之中。
本发明纳米晶优选纳米晶尺寸为3~20nm,一般而言,纳米晶尺寸越小,复合薄膜电致变色性能越好。
本发明ito纳米晶在wo3薄膜基底中形成纳米镶嵌结构,可以在薄膜中形成ito/wo3异质结,使得薄膜中电致变色反应界面大大提高,提高wo3的电致变色光调制幅度,同时提高了电致变色薄膜导电性和化学活性,离子和电子迁移加快,电致变色响应加快,变色效率提高。本发明制备方法简单,容易在各种不同形状的基板上成膜、成本低、适合于工业化生产。
附图说明
图1为实施案例1制备的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜的sem表面照片;
图2为实施案例1制备的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜sem断面照片;
图3为实施案例1制备ito纳米晶的tem照片和高分辨晶格条纹照片;
图4为实施案例1制备的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜的tem照片和其中ito纳米晶的高分辨晶格条纹照片;
图5为实施案例1制备的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜的电致变色光调制性能;
图6为实施案例1制备的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜的电致变色响应时间。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明,但本发明并不仅限于此。
实施案例1:
本实施案例采用ito玻璃(30mm×30mm)作为基板,在涂覆前进行以下清洗步骤:在丙酮中将ito玻璃超声清洗30min→去离子水冲洗3次后放入去离子水中超声30min→去离子水中冲洗3次后在乙醇中进行超声30min→烘干、备用。
步骤(1):通过溶剂热法制备ito纳米晶,将10ml十八烯,3.2ml油胺,0.6ml异辛酸,1.09摩尔乙酰丙酮铟和0.11摩尔异辛酸锡混合,加热到270℃并持续搅拌,保温2小时,冷却到室温后向溶液中加乙醇,离心沉淀得到ito纳米晶0.4g,该纳米晶尺寸约为11nm,将该纳米晶溶于10ml非极性的正己烷溶剂,形成纳米晶溶液,溶液呈蓝色;
步骤(2):向纳米晶溶液中添加20ml的极性溶剂二甲基甲酰胺(dmf)和0.04g配体交换剂四氟硼酸亚硝鎓化学式(nobf4),500rpm低速离心处理,将ito纳米晶转移到极性溶剂dmf中,形成ito纳米晶体的dmf溶液;这个过程中可以明显看到溶液分层,蓝色从上层转移到下层即纳米晶从非极性正己烷溶剂转移到dmf中,形成ito纳米晶的dmf溶液;
步骤(3):向ito纳米晶的dmf溶液中4g偏钨酸铵,形成复合溶液;
步骤(4):向复合溶液中添加5ml乙醇以调节粘度和表面张力;
步骤(5):利用旋涂仪将复合溶液旋涂在清洗后的ito基板上;旋涂转速为500r/min匀胶时间5s,接着转速1000r/min匀胶时间20s;
步骤(6):将步骤(5)制得的湿膜先在空气气氛中热处理,热处理温度为350℃,保温时间为60min,制得ito/wo3纳米复合薄膜。
如图1所示,实施案例1制备的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜的sem表面照片,薄膜表面均匀;如图2所示,实施案例1制备的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜的sem断面照片,薄膜厚度为115nm;图3实施案例1制备ito纳米晶的tem照片和高分辨晶格条纹照片,纳米晶尺寸大约为11nm,结晶良好;如图4所示,实施案例1制备的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜的tem照片和其中ito纳米晶的高分辨晶格条纹照片,ito纳米晶在wo3薄膜基底中形成纳米镶嵌结构;如图5所示,实施案例1制备的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜的电致变色光调制性能,薄膜在633nm处的光调制幅度达53.8%;如图6所示,实施案例1制备的具有纳米镶嵌结构的ito/wo3纳米复合薄膜的电致变色响应时间,电致变色光谱变化率90%时的着色和褪色响应时间分别为5.7s和0.9s。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例,并不用于限制本发明,凡在本发明精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。