电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究

电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究1百手起驾 整理为您目录 第一章 前言 .21.1 氧化钨材料简介 .21.2 氧化钨薄膜的制备 .21.3 本课题主要研究内容 .2第二章 实验方法 .42.1 实验过程及仪器介绍 .42.1.1 XRD 分析 .42.1.2 TEM 分析 .42.1.3 SEM 分析 .62.1.4 EDS 分析 .6第三章 实验结果与分析 .83.1 XRD 分析 .83.2 TEM 分析 .83.3 SEM 分析 .93.4 光性能测试 .103.5 能谱测试(EDS) .12参考文献 .14电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究2百手起驾 整理为您第一章 前言氧化钨薄膜具有优异的电致变色、光致变色、热致变色、气致变色和光催化性能，应用前景十分宽阔 1。在不同应用领域，对氧化钨薄膜的各项性能有不同要求。虽然关于氧化钨薄膜的研究已经十分广泛和细致，但是在实际使用过程中还存在着各种问题，各项研究工作还需要进一步深入进行。1.1 氧化钨材料简介三氧化钨的结构跟温度有很大的关系：它在 7400C 以上为四方晶系，3307400C 为正交品系，173300C 为单斜品系，-50170C 为三斜品系。其中单斜结构最常见，其空间群为 P21n。WO3 黄色斜方晶体。加热时颜色变深。密度 7.16。熔点 1473。不溶于水和酸（除氢氟酸），能缓慢地溶于浓碱溶液。氧化钨一部分用于生产化工产品，如油漆和涂料、石油工业催化剂等；但氧化钨是一种中间产品，大量的氧化钨被用于金属钨粉和碳化钨粉，进而用于生产金属钨制品的生产，并大量应用与生产钨的合金制品，入钨铜、钨镍，钨镍铁、钨银，钨铼、钨钍等，而当代工业领域中应用最为广泛的则是以钨为基材生产的各种牌号和用途的硬质合金产品。氧化钨具有气体敏感性，用于检测二氧化氮，氨气等有毒气体的检测。已经制备了氧化钨薄膜气敏传感器和氧化钨的纳米颗粒传感器，纳米传感器的发现大大的提高了对于低浓度有毒气体的检测1.2 氧化钨薄膜的制备本实验测试的薄膜是通过溶胶凝胶法制得，溶胶一凝胶法原理 2是将前驱体(无机盐或金属醇盐)溶于溶剂中通过搅拌等方式制得均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解反应，水解产物经缩聚反应生成纳米级颗粒并形成溶胶。在制得溶胶的基础上，可以采取浸渍提拉、旋转涂覆、喷雾裂解等工艺过程制得氧化钨薄膜。钨粉双氧水加入无水乙醇 装入干燥的磨口瓶三氧化钨薄膜图 1 溶胶凝胶法制备三氧化钨薄膜实验流程图1.3 本课题主要研究内容氧化还原反应 过滤 分解为反应的双氧水搅拌蒸发 静置 成膜热处理电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究3百手起驾 整理为您本课题将对氧化钨薄膜进行 X 射线衍射分析(XRD)、扫描电子分析（SEM）、能谱仪（EDS)、透射电子显微分析（TEM)、用以研究氧化钨薄膜的具体成分、组织结构、微观形貌、以及是否存在掺杂等。电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究4百手起驾 整理为您第二章 实验方法2.1 实验过程及仪器介绍2.1.1 XRD 分析仪器型号：XRD7000S主要特点：采用多功能水平型 测角仪，在测量过程中，X 光管和探测器绕试样转动，样品水平静止不动。适合于液体、松散粉体、大型样品、文物以及变温过程和化学反应过程中样品的实时测试分析。驱动机构为独立的 2 轴驱动，可以选择 sd 联动或 s 和 d 轴单独测定。主要功能：不但可以进行定性、定量分析，而且还可以应用于晶格常数的精密化、结晶度的计算、晶体粒径和晶格应力的计算、晶系的确定、应力分析、样品加热过程的分析、薄膜样品分析等。主要应用领域：钢铁、有色金属、机械、造船、焊接、汽车、硅酸盐、陶瓷、水泥、玻璃、催化剂、电器部件、电子材料、磁性材料、超导材料等。2.1.2 TEM 分析仪器型号：JEM-3010；简介：透射电子显微镜是利用高能电子与薄膜样品作用对样品内部进行微观分析的电子光学仪器。电子显微镜的加速电压越高，电子对试样的穿透能力越强，同时分辨率也得到进一步提高。JEM-3010 是最高加速电压为 300KV 的超高分辨型电子显微镜，点分辨率达 0.19nm，最高放大倍数为 120 万倍。特点：超高分辨与分析型相结合，可在形貌观察和晶体结构分析的同时进行微区成分分析。用途：纳米材料、金属与合金、半导体、陶瓷矿物、高分子、生物等样品的常规显微图像观察，直至原子尺度的结构像，同时还可以对纳米尺度微区的物质进行晶体结构和晶体缺陷分析。在 TEM 中，首先对衍射花样利用 PDF 卡片和晶体学知识进行校验和标定，确定薄膜的晶体结构。还可以对薄膜的缓冲层区域和衬底进行观察，具体了解缓冲层区域的结构和层次。如有不足，还可以进行进一步离子减薄，用来观察薄区的组织结构。在观察样品微观组织形态的同时，还可以对所观察的区域进行晶体结构鉴定（同位分析）有高分辨率和高放大倍数的优点，是观察薄膜样电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究5百手起驾 整理为您品最主要的方法。TEM 截面样品制备步骤如下：1. 用金刚石低速锯或者线锯切取 22mm 的样品若干片，如图 2-1 所示。也可用金刚石刻针切取样品。图 2 TEM 截面样品取样示意图2. 将两个 22mm 的样品用 AB 胶对粘，并用专用的夹具加紧，70加热30min 使树脂固化。如图 2-2 所示。图 3 TEM 截面样品对粘示意图3. 用热熔胶将固化好的样品粘在平台上，使薄膜与平台垂直。用砂纸平磨样品，磨出一个平面来，如图 2-3 所示。最后一道砂纸应在 2000 号。电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究6百手起驾 整理为您图 4 TEM 截面样品预磨示意图6. 将粘好铜环的样品从平台上取下，并翻转 180 度，再将样品用热熔胶粘到平台上（这时铜环与平台表面粘接），重复步骤 3，对样品的另外一面进行机械减薄，直到将样品磨到 1030m以下。7. 用离子减薄对样品进行最终减薄，直到穿孔为止。（离子减薄的时间主要取决于上一步骤所磨出的样品的厚度，一般需要几个小时。）2.1.3 SEM 分析仪器型号：JSM6700F主要特点：该设备采用冷场发射电子枪，电子束直径小、束流强度大、分辨率高，可给出成分的点、线、面分布数码图像。主要功能及指标：二次电子分辨率1nm；背散射电子分辨率3nm；最大放大倍数650，000；可分析元素 5B-92U。主要应用领域：材料科学与工程；生物工程；纳米科学技术；机械工程；应用物理；应用化学。扫描电子显微镜（SEM ）利用电子束在样品表面扫描激发出 【4】 来代表样品表面特征的信号成像的，最常用来观察样品表面形貌，还可以观察样品表面的成分分布情况。2.1.4 EDS 分析EDS 原理：入射电子击出样品中某一元素的特征 X 射线，通过检测特征 X射线的能量来分析元素。在击出样品物质内层电子的同时，入射电子将损失一部分能量，产生非弹性散射。由于对每一元素激发内层电子所需的最低能量是电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究7百手起驾 整理为您一定的，具有特征值，那么检测入射电子参与原子激发所损失的能量也可进行元素分析。主要特点：能快速、同时对各种试样的微区内 Be-U 的所有元素，元素定性、定量分析，几分钟即可完成。 对试样与探测器的几何位置要求低 【5】 ：对样品的要求不是很严格；可以在低倍率下获得 X 射线扫描、面分布结果。能谱所需探针电流小：对电子束照射后易损伤的试样，例如生物试样、快离子导体试样、玻璃等损伤小。 检测限一般为 0.1%0.5% ，中等原子序数的无重叠峰主元素的定量相误差约为 2%。电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究8百手起驾 整理为您第三章 实验结果与分析3.1 XRD 分析XRD 测试使用的是日本形 gakuD/max 一 rA 转靶多晶体体 X 射线衍射仪【6】 ，可用于测量晶体的晶面取向，面间距，晶粒大小，材料内应力，材料晶粒细化和点阵畸变等等。在本实验中，用来测定薄膜的结晶情况。利用Scherrerformula 公式计算薄膜表面颗粒大小，表示如下：t=(09 )(Bcos)：X 一 ray 波长(C uKal 为 l54056)，B：半高宽， ：半高宽中心位置，t：颗粒大小。测试条件：X 射线激发电压 40kv，步宽 0.02由 XRD 的包子峰可以得知氧化钨基体为非晶体，其中较多的尖锐峰是氧化铟纳米晶的特征峰。测试结果如下：图 5 三氧化钨的 XRD 衍射花样3.2 TEM 分析所使用的仪器主要有:日本电子生产的 JEOLJEM20OCX 型透射电子显微镜和 JEOLJE20lOF 型高分辨透射电子显微镜;CM20OUT 型透射电子显微镜 【7】 。对氧化钨薄膜进行 TEM 分析的目的是在微观领域（晶粒大小）观察薄膜的组电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究9百手起驾 整理为您织结构，与 EDS 分析配合确认氧化钨薄膜的内部结构和成分。由图 6 知氧化钨薄膜厚度为 234.89nm，透明导电层厚度为 279.21nm。在放大的图片中可以看到在薄膜的表面有黑点从在，同时在图 6 中可以看到有晶面产生，由于三氧化钨是非晶态的，所以得出在三氧化钨薄膜中从在掺杂 【8】 。图 6 氧化钨薄膜界面3.3 SEM 分析Field 一 EmissionseanningElectronMieroseope(FESEM)为荷兰 FEI 公司的SIRION 场发射扫描电镜，对氧化钨薄膜 3进行 SEM 分析的目的是观察薄膜表面的形貌像，测试结果如图 7、图 8 所示。由图知氧化钨薄膜具有较多的通道，电致变色氧化钨薄膜结构与性能研究10百手起驾 整理为您供电介质通过，图 7 可以看出表面颗粒团聚，图 6 可以得到氧化钨膜厚为491.3nm。SEM 的测试表明氧化钨薄膜的厚度为 234.89nm，FTO 的厚度为279.21nm，氧化钨非晶薄膜中氧化铟纳米晶体颗粒的晶面间距为 0.2936nm，基本符合氧化铟标准卡片的数据。803.9nm图