纳米微粒无机固体电解质薄膜离子导电机理

项目批准号：59782006

　　Smart Window 智能采光系统在现代建筑物具有广泛的应用前景，将为传统的建筑物采光系统带来革命性的变革。在国家自然科学基金与攀登计划（纳米材料科学）的支持下，通过材料纳米结构的控制，制备了电变色性能优良的氧化镍电变色薄膜和非晶纳米微粒Li_2.57TaO_y 离子导电薄膜，并研究了薄膜的组分、纳米结构及离子导电特性和电变色性能之间的关系。

○ 成功地制备了具有灰色特性、性能优良的氧化镍纳米微粒电变色薄膜。高分辨率透射电镜分析结果表明：在高气压和低功率密度下制备的薄膜平均颗粒尺寸为5～10nm，单个晶粒的晶格象比较清晰，且界面具有高的无序度, 平均宽度约为0.3nm，见图1(a)。在低的气压和高的功率密度下沉积的薄膜，是一种电变色效应较差、局部镶嵌有纳米微粒的无定型薄膜，见图1(b)。而对于电变色性能优良的NiO 薄膜在400℃温度下进行1 小时热处理，得到的薄膜是一种晶粒较大(15～20nm)、晶格较完整和界面有序度较高的纳米颗粒膜，而电变色性能完全消失，见图1(c)。

○ 在Plassys MP450 磁控溅射仪上制备出具有高离子电导率的Li_xTaO_y 薄膜。通过微观结构等的分析，发现该薄膜是一种无定型纳米颗粒膜(图2)，其平均粒径为10nm。薄膜中Li 与Ta 的原子比为2.57:1。采用交流阻抗谱技术测得薄膜在室温下锂离子电导率为8×10^-8S·cm^-1。通过对薄膜的离子电导率对温度的依赖关系的研究，根据Arrhenius 方程计算出薄膜的离子电导活化能为0.25±0.01eV(图3)，从而建立了纳米非晶微粒钽酸锂薄膜离子迁移假说。

○ 基于纳米微粒薄膜材料的全固态电变色器件：在基础材料研究的基础上,我们成功地发展出一种光谱反射率调制的全固体(无机)电变色器件, 其结构为: ITO 玻璃|WO3|纳米微粒Li_2.75TaO_y 薄膜电解质|纳米微粒NiO 薄膜|金属铝薄膜。图4 是该器件的着色态和漂白态下的光谱反射率。这种器件目前世界上只有少数几个实验室才能制造, 它的成功标志我们这方面的材料研究已达到当前的国际水平。

1、氧化镍薄膜电变色机理的建立对发展氧化镍薄膜全固态Smart Window 器件和电解质材料与对电极材料的设计具有重要的科学指导意义。

2、材料纳米结构与离子迁移特性的研究揭示了无序纳米微粒界面对离子迁移的重要贡献，丰富了纳米材料的科学内容，并对电变色基础材料的发展具有重要的指导意义。

3、基于纳米结构设计所发展的全固态电变色原型器件的成功，为该项成果提供了有力的实验证据，同时也标志着我国这方面的材料和基础理论研究已进入国际先进行列，这对促进我国Smart Window 的发展和应用具有重要的科学意义。

工程与材料科学部、国际合作局 主办
数理科学部、化学科学部 协办