[发明专利]一种非晶态-纳米晶复合结构的铟锡铌镓氧化物电致变色薄膜及其制备方法

说明书

一种非晶态‑纳米晶复合结构的铟锡铌镓氧化物电致变色薄膜及其制备方法，属于电致变色技术领域。利用元素掺杂和控制调整平均配位数方法，通过优化脉冲激光沉积法制备(ITO)_x(Nb₂O₅)_y(Ga₂O₃)_1‑x‑y薄膜的工艺，整体薄膜制备为统一纳米晶‑非晶混合晶态。本发明操作简单，不易引入杂质，制备温度低，制备条件容易控制，所制备的纳米晶‑非晶复合结构的(ITO)_x(Nb₂O₅)_y(Ga₂O₃)_1‑x‑y电致变色薄膜响应时间快，具有较好的柔韧性和明显的颜色变化，为柔性智能变色窗器件提供材料支持和工艺改进。

技术领域

本发明属于电致变色技术领域，具体涉及一种非晶态-纳米晶复合结构的铟锡铌镓氧化物电致变色薄膜及其制备方法。

背景技术

非晶态固体具有近程有序而远程无序的结构特征。非晶态固体宏观上表现为各向同性，熔解时无明显的熔点，只是随温度的升高而逐渐软化，粘滞性减小，并逐渐过渡到液态。非晶态固体又称玻璃态，可看成是粘滞性很大的过冷液体。晶体的长程有序结构使其内能处于最低状态，而非晶态固体由于长程无序而使其内能并不处于最低状态，故非晶态固体是属于亚稳相，向晶态转化时会放出能量。常见的非晶态固体有高分子聚合物、氧化物玻璃、非晶态金属和非晶态半导体等。

显示技术柔性化和超薄化的趋势，引起全球研究学者和工业界对非晶态透明氧化物半导体薄膜(TAOS,Transparent Amorphous Oxide Semiconductor)的极大关注。2003年，J.F.Wager等人分别在Science等期刊上发表了关于非晶透明氧化物半导体薄膜晶体管的优良特性的报告开始，全球掀起了研究热潮。非晶态透明氧化物半导体薄膜(TAOS)飞速发展的今天，研究人员已发现了很多的有用的光电特性，并基于此制作光电器件或电化学器件。非晶态材料特性主要取决于共价键结构排布，但其结构排布的不定性使得控制结构仍然是难题。在非晶结构中引入纳米晶结构，通过控制纳米晶结构和非晶态之间共价键，进而控制非晶态结构材料的光电特性，在两种结构的交接界面上甚至会出现新的功能材料，有新的优异特性出现。例如，纳米晶的引入增强块体玻璃的硬度，提高玻璃的光学非线性系数，导致原本不透光光谱区域出现透明性，在纳米晶和玻璃交界面，粒子传输能力增强.

存在问题是：1、纳米晶-非晶混合结构的新功能材料多采用水热法或化学法，玻璃态或胶态与纳米晶态接触生长，两种材料有明显交界面，该材料只存在于交界面附近，新功能材料不能大面积或大体积生长，材料生长方法与传统工业生长方式不兼容。

2、纳米晶-非晶混合结构氧化物半导体薄膜，按照传统溅射工艺大面积生长时，温度-时间变化曲线是生长沉积关键参数，但温度高有利于晶体生长，温度低有利于非晶生长，混合晶态的生长使得温度设定进入到一个两难境地，让传统工艺靠温度调控材料晶态结构的方法无法适用于纳米晶-非晶混合晶态新材料中。

2013年Nature发表的Anna Llordes小组在在交界面上实现玻璃态NbO材料混合纳米晶态ITO材料，可在可见-近红外波段电致变色导电氧化物半导体薄膜。该材料可应用于电致变色智能窗、可见-红外传感探测器件中，但之前提出的问题成为限制该材料大力推广瓶颈：新功能材料只在交界面处存在，面积太小无商业使用尺寸，文献中提到的化学法与商业化制造不兼容，传统工艺温度参数无法调控混合晶态等问题。Shi-na Li小组尝试在ITO中掺杂Nb薄膜制备出的单晶薄膜，但该材料没有电致变色特性。

本发明通过调整透明氧化物半导体薄膜掺杂元素种类和成分配比的途径，在传统工艺满足大面积商业制备的基础上，制备出纳米晶-非晶混合晶态透明氧化物半导体薄膜，并实现可见-近红外波段电致变色效应，为这种新型电致变色功能材料应用在智能节能窗、低能耗显示器、汽车防炫目后视镜以及卫星、武器装备的红外隐身等各种领域，提供材料支持和工艺改进。