氧化鎢光致變色薄膜

氧化鎢是一種良好的光致變色材料，從1973年首次報(bào)導(dǎo)了無定型氧化鎢膜的光致變色現(xiàn)象便受到了廣泛的關(guān)注和研究。1980年Gerard等在前人的基礎(chǔ)上首先以真空蒸鍍法，通過改變真空度製備了H_XWO_3-Y膜。後來又改用濺射法，在Ar-O₂(製備純的亞化學(xué)計(jì)量膜)，Ar-O₂-H2和Ar-O₂-H₂O(改變WO₃氫氧組成)三種同反應(yīng)氣氛下濺射，製備了H_XWO_3-Y膜。

氧化鎢光致變色的影響因素

影響氧化鎢光致變色的因素很多，除了本身的結(jié)構(gòu)和組成因素外，所處的氣氛也將影響其變色性能。從氧化鎢的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，氧化鎢的結(jié)構(gòu)有很多種。從比較穩(wěn)定的三斜、單斜到立方、四方很不穩(wěn)定的六方青銅、焦綠石相，但是目前研究最多的是無定型（a-WO₃）或多晶（c-WO₃）膜的光致變色性能。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)a-WO₃較c-WO₃有很好的光致變色性能，主要是因?yàn)閏-WO₃具有晶格缺陷或者比表面積小等。上述所說的內(nèi)因是決定物質(zhì)性質(zhì)的主要原因，而外因?qū)εc氧化鎢光致變色的影響也不容小覷，尤其是不同氣氛對其的影響。從著色角度上看，一些含氫或羥基的有機(jī)物蒸氣有利與提高氧化鎢的變色反應(yīng)速度和吸收強(qiáng)度。對於脫色方面受到氧化性氣體的影響較大，如O₃、H₂O₂和FE2(SO4)3等。這些影響因素對提高氧化鎢光致變色的效能有很大的幫助，也有利於製作性能更加良好的光致變色材料。

氧化鎢光致變色的檢測

氧化鎢光致變色的研究已近半個(gè)世紀(jì)，但因光源選取的不定性和變色表徵的單一性使其發(fā)展十分緩慢。1973年Dbell利用urbach規(guī)則:K=K0exp{-B(E0g-hv)/KT}其中hv是輻射能量，B和凡是材料的特徵常量。選取適當(dāng)?shù)墓庠矗菍?shí)現(xiàn)變色的關(guān)鍵。目前的光源主要有壓汞燈和高壓氙燈兩種，採用光源的瓦數(shù)各不相同，汞燈有500W，400W、250W、150W等;氙燈有50()W、200W、150W、75W等。瓦數(shù)雖然只改變光強(qiáng)度，卻能體現(xiàn)出氧化鎢的變色性能。尤其從滿足不同需要的角度考慮，太陽光照下的變色材料是太陽鏡製造商們一直追求的，高波段變色且長期穩(wěn)定材料則是資訊領(lǐng)域所需要，而顯示幕方面則要求材料具有快速的著脫色性能。因此，氧化鎢光致變色材料的探索還有很長的路要走。

大多數(shù)學(xué)者是通過UV光譜來檢測經(jīng)光源照射後材料的變色情況，但該方法無法測量短時(shí)間內(nèi)的變色過程，使我們對其變色的機(jī)理及過程很難準(zhǔn)確把握。直到1993年利用一種高敏感技術(shù)TR檢測到氧化鎢在光照幾秒後的變色情況，給出了氧化鎢的著脫色可逆過程是同時(shí)進(jìn)行的結(jié)論，並提出著色率與光照時(shí)產(chǎn)生的電子一空穴對的數(shù)量有關(guān)的觀點(diǎn)。此外，通過EsR、XPS等手段也可以檢側(cè)氧化鎢的變色過程，但是這兩種儀器價(jià)格十分昂貴，因此不能作為表徵的常用手段。

三氧化鎢薄膜可以通過適當(dāng)能量的光輻照而呈現(xiàn)顏色,WO₃薄膜的光致變色反應(yīng)機(jī)理可用以下方程表示:
WO₃+hv→WO₃*+e-+H⁺
H⁺+1/2H₂O→H⁺+1/4O₂
WO₃+xe^-+xH⁺→H_XWO₃
當(dāng)WO₃薄膜被光輻射時(shí),將產(chǎn)生電子e-和空穴H⁺,光生電子進(jìn)入WO₃的導(dǎo)帶,光生空穴與薄膜表面的吸附水反應(yīng),生成H⁺,然後擴(kuò)散到WO₃內(nèi)部,導(dǎo)致顏色發(fā)生變化。純粹的WO₃薄膜只感應(yīng)紫外光,因此,對於未經(jīng)過預(yù)處理的WO₃初始膜,電子和空穴只能通過紫外光激發(fā)產(chǎn)生,當(dāng)經(jīng)過陰極極化後,晶格中產(chǎn)生陷阱能級,這些能級處在禁帶區(qū)域內(nèi),能被可見光激發(fā),導(dǎo)致可見光變色。