電致變色薄膜器件在空間中的應用前景

2013-09-27 王潔冰蘭州空間技術(shù)物理研究所

　　電致變色薄膜器件的光學性質(zhì)可以隨外加電場而發(fā)生可逆的變化，利用這種性質(zhì)，電致變色薄膜器件可以廣泛應用于建筑、汽車、航天等領(lǐng)域，在節(jié)能、熱控等方面發(fā)揮作用。本文針對電致變色薄膜器件在空間飛行器上的應用方向，綜述了電致變色薄膜器件的研究現(xiàn)狀，分析了該器件在空間飛行器主動熱控以及空間太陽帆姿態(tài)控制等方面的應用前景。

　　電致變色(Electrochromism) 是指在外加電場的作用下，材料的價態(tài)、化學組分發(fā)生可逆變化的現(xiàn)象，具有電致變色特性的材料在外加電壓作用下，由于電子或離子的注入、抽出，導致材料結(jié)構(gòu)和光學、熱學性能發(fā)生變化。20 世紀60 年代，Platt 在研究有機染料時首次發(fā)現(xiàn)了電致變色現(xiàn)象，自此，電致變色現(xiàn)象引起了人們廣泛的關(guān)注。1969 年S.K.Deb在蒸鍍的無定形WO3 薄膜兩側(cè)制作Au 電極，在外加電場的情況下，觀察到了電致變色現(xiàn)象，并提出了著名的氧空位色心機理。隨后，Deb 又發(fā)現(xiàn)了MoO3 的電致變色特性。1973 年，Schoot 等合成了有機電致變色材料，使有機電致變色材料的研究成為一個重要的研究領(lǐng)域。1978 年Brauntein 等發(fā)現(xiàn)了堿鎢硼酸鹽系玻璃的電致變色現(xiàn)象，從而在材料科學中開拓出一個新的領(lǐng)域。而80 年代，C. M. Lampert提出的基于電致變色材料的智能窗( Smart Windows) 則被認為是電致變色研究的另一個里程碑。1995 年，C. G. Granqvist編寫了無機電致變色材料手冊(Handbook of Inorganic Electrochromic Materials)，對無機變色材料的研究情況進行了整理與總結(jié)。

　　由于電致變色材料具有在電場作用下改變顏色的特性，該類材料在信息顯示、太陽光控制、可控反射鏡方面有著廣闊的應用前景，可以制備成變色玻璃窗、大面積屏幕、防炫鏡、靈巧窗等薄膜器件。而在空間飛行器上，電致變色材料同樣可以發(fā)揮其技術(shù)特性的優(yōu)勢，采用電致變色材料可以制備成發(fā)射率或反射率可節(jié)型器件，因此在主動熱控以及空間太陽帆姿態(tài)控制等方面的具有很好的應用前景。

1、電致變色薄膜

　　由于電致變色的塊體材料需要相對較高的電壓才能出現(xiàn)變色特性，而同時隨著磁控濺射、真空蒸發(fā)、溶膠凝膠等技術(shù)的發(fā)展，因此，電致變色薄膜逐漸成為研究的重點。從電致變色薄膜所用的材料來看，可以分為兩大類，一類是有機電致變色材料，通過控制材料內(nèi)部電子的得失發(fā)生氧化還原反應，從而使材料發(fā)生著色和褪色的可逆變化。另一類是無機電致變色材料，由于離子在材料中的注入和抽出而造成材料價態(tài)或晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而發(fā)生著色和褪色的可逆變化。有機電致變色薄膜中具有代表性的有導電聚合物、金屬酞花青、紫羅精、聚合金屬絡合物等。無機電致變色薄膜多過渡族金屬氧化物或其衍生物，這是由于過渡金屬氧化物中金屬離子的電子價帶結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在一定條件下價態(tài)發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變或形成混合價態(tài)，隨著離子價態(tài)和濃度的變化，薄膜的顏色也發(fā)生相應的變化，常見的無機電致變色材料有WO3、MoO3、TiO2、V2O5、Nb2O5、CeO2、NiO、IrO2、Rh2O3、Co2O3、MnO2 等。

　　為了滿足空間應用等條件的要求，研究人員一直在努力研制全固態(tài)的電致變色薄膜器件，這類薄膜器件通常由多層薄膜組成，通常其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。當兩電極之間加上電壓時，隨著電壓在一定范圍內(nèi)變化，離子儲存層的離子穿過離子導體層，進人到電致變色層，使電致變色層逐步著色; 當需要電致變色層退色時，加反向電壓，隨著電壓在一定圍內(nèi)變化，電致變色層逐步恢復到漂白態(tài)。為適應空間輻照的要求，通常選用全無機電致變色材料，當然，在滿足使用環(huán)境要求的情況下，為了提高變色效率，也可以采用有機無機相結(jié)合的方式。

電致變色薄膜器件的結(jié)構(gòu)示意圖