Finestre intelligenti, una delle applicazioni più promettenti dei film sottili di ossido di tungsteno (WO3), sono finestre controllabili dalla trasmissione utilizzate nelle automobili, aereo, e la costruzione di applicazioni. Credito:Joel Filipe di Stocksnap
Materiali elettrocromici (CE), tra le componenti tecnologiche "verdi" chiave per la sostenibilità e il risparmio energetico, hanno suscitato l'interesse del mondo accademico e dell'industria. Ossido di tungsteno (WO 3 ) è un materiale EC ampiamente studiato e ampiamente utilizzato nelle finestre intelligenti di oggi. Un popolare approccio EC è l'inserimento reversibile di piccoli ioni nei materiali degli elettrodi. Film sottili di WO 3 possono quindi cambiare il loro colore da chiaro a blu profondo regolando gli ioni di litio (Li + ) inserzione sotto una polarizzazione a bassa tensione. Poiché le operazioni a bassa tensione sono vantaggiose per una moltitudine di applicazioni, Li + intercalato WO 3 (Li X WO 3 ) è un'opzione praticabile per le applicazioni dei dispositivi CE.
Però, Li + gli inserimenti non sono sempre reversibili. Dopo diversi cicli, questi ioni si aggregano nel film ed erodono l'effetto elettrocromico. Questo, a sua volta, influisce sulla modulazione ottica e sulla durata a lungo termine, entrambi sono essenziali per l'implementazione pratica dei dispositivi EC. Gli inserimenti risultano in Li . reversibili + , irreversibile Li 2 WO 4 formazione, e irreversibile Li + intrappolamento. La "formazione irreversibile di Li 2 WO 4 " degrada l'elettrocromismo, e il Li + "intrappolato" in siti profondi rende gli ioni immobili, con conseguente irreversibilità. In sostanza, valutare le implicazioni di entrambi i tipi di irreversibilità è fondamentale.
In un recente studio pubblicato su Scienza delle superfici applicata , scienziati della Tokyo University of Science e del National Institute for Materials Science (NIMS), Giappone, collaborato per valutare quantitativamente l'irreversibilità di Li X WO 3 pellicole sottili. Discutendo le principali preoccupazioni che lo studio affronta, Professore Associato Tohru Higuchi della Tokyo University of Science, che ha condotto lo studio, osserva "Ci sono due questioni critiche che sorgono:in primo luogo, è irreversibile Li 2 WO 4 formazione diversa dall'irreversibile Li + intrappolare? Secondo, possono coesistere queste componenti irreversibili?" E aggiunge, "Le misure convenzionali non sono in grado di distinguere tra le due componenti irreversibili. Di conseguenza, abbiamo condotto un esame quantitativo per offrire risposte solide a queste domande".
Gli scienziati hanno ideato un metodo di valutazione quantitativa che combina la spettroscopia fotoelettronica a raggi X duri in situ (HAXPES) e misurazioni elettrochimiche. HAXPES viene utilizzato per indagare su interfacce sepolte, mentre i test elettrochimici vengono utilizzati per esaminare le proprietà di corrosione. L'intercalazione di Li + provoca una reazione redox che modifica lo stato di ossidazione degli ioni di tungsteno (W) da W 6+ a W 5+ . Sulla base di questo cambiamento, HAXPES può valutare "Li reversibile + " e " irreversibile Li + intrappolamento." Tuttavia, valutando "irreversibile Li 2 WO 4 formazione" utilizzando HAXPES è impegnativo. Dr. Takashi Tsuchiya, ricercatore principale al NIMS e coautore dello studio, spiega perché:"W ioni in Li 2 WO 4 hanno uno stato di ossidazione stabile perché esistono nel W 6+ modulo. Di conseguenza, HAXPES non è in grado di valutare l'irreversibilità causata da Li 2 WO 4 formazione. Misure elettrochimiche, anzi, può distinguere 'Li+ reversibile' dai due componenti irreversibili. Perciò, l'integrazione di entrambi i metodi consente la distinzione e la valutazione quantitativa di tutte e tre le componenti."
Per eseguire le misurazioni elettrochimiche, gli scienziati hanno costruito un Li X WO 3 a base di transistor redox sulla superficie piana di una vetroceramica conduttrice di ioni di litio (LICGC). Hanno anche costruito una cella elettrochimica con un WO 3 film sottile come semiconduttore e un substrato LICGC come elettrolita per condurre misurazioni HAXPES. Per di più, hanno impiegato in situ la spettroscopia Raman per valutare l'influenza di Li + inserimento sul Li X WO 3 struttura. Sono stati in grado di determinare con successo l'aumento della cristallinità causato da Li + inserimento. Le proporzioni di Li . reversibile + , irreversibile Li 2 WO 4 formazione, e irreversibile Li + l'intrappolamento è stato calcolato essere del 41,4%, 50,9%, e 7,7%, rispettivamente.
Gli scienziati ritengono che il loro studio aiuterà a sviluppare e progettare materiali e dispositivi EC migliorati. "Per molti anni, il principale impulso per la ricerca e lo sviluppo della CE sono state le potenziali applicazioni in edifici e aeromobili ad alta efficienza energetica. Però, ci sono anche molte altre applicazioni, come i display cartacei elettronici a risparmio energetico e di facile visione, "dice il dottor Kazuya Terabe, ricercatore principale dell'International Center for Materials Nanoarchitectonics al NIMS e coautore dello studio, "Inoltre, i nostri risultati ampliano le possibilità di applicazione fornendo le basi per lo sviluppo futuro di WO . ad alte prestazioni 3 dispositivi EC."
