用铁电极化改善电致变色器件的性能及相关机理研究

Ferroelectric materials are interesting for their spontaneous polarization and bi-stable memory behavior, which can be used to modulate the distribution of electric field so as to influence the charge-tranfer and/or polarity-related physical phenomena. Electrochromic (EC) devices have attracted much attension due to their potential in applications such as smart window, electrochromic display, anivisible coat and memory.The performance of EC devices is essentially influenced by the kinetics of injection/extraction of electrons and ions in/out of the EC layer. We propose for the first time that incorporation of ferroelectric layers in the EC devices will take advantages in improving the coloration speed, the stability and the resolution of EC devices. The composited thin-film devices will be fabricated by sol-gel method and pulsed laser deposition method. The actual effect of ferroelectric polarization on the performance of EC devices will be thoroughly examined by electrical and optical analysis. The mechanisms that lead to the interaction between the ferroelectric polarization and the electrochromic properties will be comprehensively investigated.

铁电材料具有自发极化和双稳态记忆特性。利用铁电极化反转对空间电场进行调制，可以对某些与电荷传导或电极化有关的物理性质产生影响。电致变色是一种由于电子和离子的双注入，导致材料的光学属性（吸收率、反射率、透射率等）发生变化的特殊现象，可应用于光学调节、显示和全天候隐形等高新领域。本课题提出在电致变色薄膜器件中引入透明铁电层、利用铁电极化控制和提高电致变色性能的新思路。拟采用脉冲激光沉积法和溶胶-凝胶法制备铁电-电致变色复合薄膜器件，通过电学、光学分析手段研究极化对空间电场的调制作用以及对电荷注入/抽出过程动力学机制的影响。这项研究有望提高电致变色器件的综合性能，解决现有器件中响应速度慢、稳定性差、分辨率低等问题，并对深入理解电致变色现象的微观机理有着积极的意义。

现有的电致变色材料存在响应速度迟缓、性能不稳定、循环可逆性差等缺点，难以满足高分辨率电色显示器等应用的性能要求。通过改善电子、阳离子注入和抽出过程的动力学条件，可以有效地提高电致变色材料的变色效率和循环可逆性。本项目提出将铁电极化与电致变色效应相结合的研究思路，目的在于利用铁电体的极化特性对电致变色材料中电荷的注入/抽出过程产生影响，从而改善电致变色器件的响应速度、稳定性、记忆性、分辨率等综合性能。对铁电-电致变色复合薄膜器件的研究将有助于加深对电致变色效应动力学和微观机理的理解。根据这一思路，我们设计制作了以稀土掺杂钛酸铋（BLT）薄膜为铁电层、以氧化钨薄膜为电致变色层的复合结构器件。研究结果表明，用脉冲激光沉积法在ITO导电玻璃衬底上制备的BLT薄膜具有制备温度低、光学透过率高、铁电性能良好等优点。通过研究Li掺杂氧化钨薄膜的电致变色过程的动力学机理，发现了漏导和电极反应对薄膜变色效率的影响，从原理上考察铁电薄膜对于抑制传导电流、提高变色效率的作用。在电致变色器件中插入铁电层后，复合薄膜器件仍然具有电致变色效应，驱动电压增大，着色过程的充电峰消失，颜色保持时间有一定程度改善，但可重复性差、循环次数少，与预期效果相比有很大差距。我们以电致变色的电化学模型为基础，根据薄膜光学密度与五价钨离子的比例关系，测定了氧化钨的理论变色效率。结果表明，氧化钨的变色效率上限约为120 cm2/C，要使铁电-电致变色复合薄膜发生明显的电色效应，铁电薄膜的极化率应达到1000 C/cm2以上，而现有的铁电薄膜无法满足这一要求。虽然研究结果未能证明铁电极化对电致变色器件有改性作用，但作为有益的科学探索，本项目具有积极的学术意义和参考价值。