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氧化钨薄膜气致变色机理的研究进展/罗坚义等
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氧化钨薄膜气致变色机理的研究进展
罗坚义2,曾庆光',龙拥兵,王忆,何鑫,张梅
(1五邑大学应用物理与材料学院,江门529020;2中山大学理工学院光电材料与技术国家重点实验室,广州510275)
摘要首先介绍了氧化钨濞膜的气致变色效应及其潜在的应用,然后概述了氧化钨气致变色机理的双注入模
型和氧空位扩散模型及其存在的争议性问题,并在此基础上介绍了由本研究组发展的气致变色结构水分子模型。最
后,指出氧化钨薄膜气致变色机理的研究工作不仅有助于人们更好地理解薄膜材料的变色效应,有效地提高变色器
件的性能,同时也能推动相关学科(如氩的储存、氢的探测、离子传輸材料以及半导体表面催化等学科)的发展。
关键词氧化钨薄膜气致变色机理WO3纳米线结构水分子
Development of the Mechanism of Gasochromic Coloration of Tungsten Oxide Films
LUO Jianyi 2, ZENG Qingguang, LONG Yongbing, WANG Yi, HE Xin ZHANG Mei
(1 School of Applied Physics and Materials, Wuyi University, Jiangmen 52900; 2 State Key Laboratory of Optoelelctronic
Materials and Technologies, School of Physics and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275)
Abstract The gasochromic effect and its potential applications of tungsten oxide films are introduced, and then
the mechanism models responding to the gasochromic coloration of tungsten oxide films are discussed. The controver-
sial questions bet ween the doubl -injection model and oxygen-vacanc-diffusion model are also pointed out, and a new
model of gasochromic coloration is developed to explain these controversial questions and is introduced in detail. At
last, the study of the mechanism of gasochromic coloration of tungsten oxide films not only helps one to understand
gasochromic coloration well and improves the performance of gasochromic coloration devices, but also propels the de
velopment of the relative sciences, such as hydrogen storage, hydrogen detector, ion transport material, surface cata
lysis of semiconductor, and so On.
Key words tungsten oxide film, mechanism of gasochromic coloration, WO nanowires, localize water mole-
0引言
和很薄的催化剂(如Pt、Pd等)层),而且器件结构中避免了
直接的电接触,薄膜不容易脱落,可重复性较好,容易实现大
氧化钨(W()--,0≤x<1.0)是过渡性金属钨的氧化物面积生产等特点·,因此越来越受到关注,并且应用于建
的统称,主要包括WO2以及WO20、W13O)a等中间价态氧化筑物的智能変色窗口-8、氢气传感器I0,1S-2等方面
物。氧化钨是一种非常重要的功能材料,貝有热致变色
德国 Frauhofer学院的 Georg等采用非晶W(3薄膜和
光致变色、电致变色、气致变色8等特性,在节能环只有几纳米厚度的催化剂Pt颗粒层制备出达到商业化标准
保?、气敏传感?、光催化"、光电转换叩和负胶材料(电的气致变色窗??,并成功应用于建筑物的窗口中。WO2气
子束光刻)]等领域具有广阔的应用前景。
致变色效应的另一个潜在应用是在氢气传感器方面。目前
WO薄膜在着色态时对太阳光谱的红外和可见波段有基于氧化钨气致变色效应的氢气传感器( Gas sensor)或探测
很强的吸收,可以在夏季抵挡耀眼的阳光,同时防止室内温器( Gas detector);按照测量的物理信号来分类,可以分为两
度过高,减少室内空调能耗,起到节约能源的目的。因此,大类型,一种是沿用传统气体传感器件的电学测量方
WO薄膜变色效应广泛应用于建筑和汽车等方面的智能变法?,另一种是采用光学测量的方法:。前者制备工艺
色窗口,其中以电致变色效应的研究最为深入,但是由于电简单,成本低廉,与集成电路工艺兼容,但在探测气敏薄膜的
致变色的器件结构相对复杂,一般需要透明阳极层、离子存阻值变化时引人了导电回路,有时还需要加热装置。这不仅
储层、离子传导层、电致变色材料层和阴极导电层5层薄膜增加了氢气传感器件的功耗,而且在事故发生时,传感器中
结构,制造成本较高,很难实现大面积生产。相对来说,气致的电流会急速增大,器件本身有可能会充当一个热源,另外,
变色由于其器件结构比较简单(只有两层结构,WO变色层·还容易受到电磁干扰而引发火花。这些都有可能引起灾难
国家自然科学基金(11004153;:1104154);广东省自然科学基金(S201104000036;101529020010000909广东省高等学校人才引
进专项资金([2011431);广东省科技计划项目(2009BO30803015)
罗坚义:博士,讲师,从事氧化钨纳米材料薄膜的光电特性及其器件应用研究F-mail:luojiang@mail3.sysu.edu.cn