Forskere optrævler mysterierne om irreversibilitet i elektrokrome tynde film

Elektrokromiske (EF) materialer, blandt de vigtigste "grønne" teknologiske komponenter til bæredygtighed og energibesparelser, har vakt interesse fra både akademi og industri. Wolframoxid (WO ₃ ) er et meget undersøgt EC-materiale, der er meget brugt i nutidens smarte vinduer. En populær EC -tilgang er reversibel indsættelse af små ioner i elektrodematerialer. Tynde film af WO ₃ kan derfor ændre deres farve fra klar til dyb blå ved at justere lithium-ion (Li ⁺ ) indsættelse under en lavspændingsforspænding. Da lavspændingsoperationer er gavnlige for en lang række applikationer, Li ⁺ interkaleret WO ₃ (Li _x WO ₃ ) er en levedygtig mulighed for EF -enhedsapplikationer.

Imidlertid, Li ⁺ indsættelser er ikke altid reversible. Efter flere cyklusser, disse ioner samles i filmen og eroderer den elektrokromiske effekt. Det her, på tur, påvirker optisk modulering og langtidsholdbarhed, som begge er afgørende for praktisk anvendelse af EC-enheder. Indsætningerne resulterer i reversibel Li ⁺ , irreversibel Li ₂ WO ₄ dannelse, og irreversibel Li ⁺ fangst. Den "irreversible dannelse af Li ₂ WO ₄ "nedbryder elektrokromisme, og Li ⁺ 'fanget' på dybe steder gør ionerne immobile, resulterer i irreversibilitet. I det væsentlige, at vurdere konsekvenserne af begge typer irreversibilitet er kritisk.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Anvendt overfladevidenskab , forskere fra Tokyo University of Science og National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, samarbejdet om kvantitativt at vurdere irreversibiliteten af ​​Li _x WO ₃ tynde film. Diskuterer de vigtigste bekymringer, som undersøgelsen adresserer, Lektor Tohru Higuchi fra Tokyo University of Science, der ledede undersøgelsen, bemærker "Der er to kritiske spørgsmål, der opstår:For det første, er irreversibel Li ₂ WO ₄ dannelse forskellig fra irreversibel Li ⁺ fældefangst? Sekund, kan disse irreversible komponenter eksistere side om side?" Han tilføjer, "Konventionelle foranstaltninger er ikke i stand til at skelne mellem de to irreversible komponenter. Som følge heraf, Vi foretog en kvantitativ undersøgelse for at tilbyde solide svar på disse spørgsmål. "

Forskerne udarbejdede en kvantitativ evalueringsmetode, der kombinerer in situ hård røntgenfotoelektronspektroskopi (HAXPES) og elektrokemiske målinger. HAXPES bruges til at undersøge nedgravede grænseflader, der henviser til, at elektrokemiske test bruges til at undersøge korrosionsegenskaber. Indkalkningen af ​​Li ⁺ resulterer i en redoxreaktion, der ændrer oxidationstilstanden af ​​wolfram (W) ioner fra W ⁶⁺ til W. ⁵⁺ . Baseret på denne ændring, HAXPES kan evaluere "reversibel Li ⁺ " og "irreversibel Li ⁺ fangst. "Dog, evaluerer "irreversibel Li ₂ WO ₄ dannelse "ved hjælp af HAXPES er udfordrende. Dr. Takashi Tsuchiya, hovedforsker ved NIMS og medforfatter af undersøgelsen, forklarer hvorfor:"W ioner i Li ₂ WO ₄ har en stabil oxidationstilstand, fordi de findes i W ⁶⁺ form. Som resultat, HAXPES er ikke i stand til at evaluere irreversibiliteten forårsaget af Li ₂ WO ₄ dannelse. Elektrokemiske målinger, tværtimod, kan skelne 'reversibel Li+' fra de to irreversible komponenter. Derfor, integrering af begge metoder muliggør sondring og kvantitativ evaluering af alle tre komponenter. "

For at udføre de elektrokemiske målinger, forskerne byggede en Li _x WO ₃ -baseret redoxtransistor på den flade overflade af en lithium-ion-ledende glaskeramik (LICGC). De byggede også en elektrokemisk celle med en WO ₃ tynd film som halvleder og et LICGC-substrat som elektrolyt til at udføre HAXPES-målinger. Desuden, de anvendte in situ Raman-spektroskopi til at vurdere indflydelsen af ​​Li ⁺ indsættelse på Li _x WO ₃ struktur. De var i stand til med succes at bestemme stigningen i krystallinitet forårsaget af Li ⁺ indskud. Proportionerne af reversibel Li ⁺ , irreversibel Li ₂ WO ₄ dannelse, og irreversibel Li ⁺ fangst blev beregnet til at være 41,4%, 50,9%, og 7,7 %, henholdsvis.

Forskerne mener, at deres undersøgelse vil hjælpe med at udvikle og designe forbedrede EF -materialer og -udstyr. "For flere år, hovedimpulsen for EF-forskning og udvikling har været potentielle anvendelser i energieffektive bygninger og fly. Imidlertid, der er også flere andre applikationer, såsom de energibesparende og synsvenlige elektroniske papirdisplays, " siger Dr. Kazuya Terabe, hovedforsker ved International Center for Materials Nanoarchitectonics ved NIMS og medforfatter af undersøgelsen, "I øvrigt, vores resultater udvider anvendelsesmulighederne ved at danne grundlag for den fremtidige udvikling af højtydende WO ₃ -baserede EC-enheder."