无机电致变色型红外调控器件基础研究

Based on the demand for smart thermal control technology of spacecraft surfaces, we propose an in-depth and systematic study on fundamental scientific issues concerning inorganic electrochromic infrared modulators. The mechanism, design, preparation, microstructure, infrared-modulating performance and durability to environment of the infrared transparent conductive electrodes, electrochromic infrared-modulating inorganic oxide thin films, inorganic ion-conductive electrolyte materials and all-solid-state inorganic infrared-modulating devices will be intensively studied. We will focus on establishing the correlation between crystallinity, doping, defect concentration of the materials and infrared modulation characteristics. The study will reveal the infrared-modulating mechanism of tungsten oxide, vanadium oxide and tungsten-vanadium composite oxide thin films. We put forward new processes and new methods to prepare high-performance infrared-modulating materials. The typical LiTaO3, LiNbO3, LiPON lithium ion conductors, Ta2O5, ZrO2 hydrogen ion conductors, and new types of ion conductor such as Si3N4, AlN, Li3N, and LixSiNy will be systematically studied. A combined design concept involving porous Au layer, infrared anti-reflective multilayers and inorganic electrochromic infrared modulators is proposed. We will devote to improving the comprehensive performance of the modulators through multilayer structure optimization, interface matching, and optical parameter simulation.

针对航天器表面智能热控的需求，本项目提出对无机电致变色型红外调控器件基础科学问题进行深入系统的研究。对红外透明导电电极、电致变色型红外调控无机氧化物薄膜、传统型和新型两大类无机离子导体电解质材料及全固态无机红外调控器件的工作原理、设计方法、制备工艺、微观结构、红外调控性能及耐候性能等关键因素进行研究。深入研究材料的结晶度、掺杂、缺陷浓度等因素与红外辐射特性的内在联系，揭示氧化钨、氧化钒及钨钒复合氧化物薄膜材料红外调控的物理机制，提出制备高性能红外调控材料的新工艺、新方法。系统研究传统型LiTaO3、LiNbO3、LiPON锂离子导体和Ta2O5、ZrO2氢离子导体薄膜及Si3N4、AlN、Li3N、LixSiNy等新型离子导体薄膜。提出多孔Au层、红外增透多层膜与无机电致变色型红外调控器件复合设计理念，通过多层膜结构优化、界面匹配、光学参数模拟等多种方法，提高全器件的综合性能。

电致变色红外调控型器件具有主动型、可控型的红外选择性调控的特性，本项目针对航天器表面智能热控的需求，对无机电致变色型红外调控器件的基础科学间题进行了深入系统的研究。建立了系统的电致变色材料、红外透明顶层电极、离子导体层以及全器件的制备和研究体系，采用磁控溅射方法可以实现，明确了各功能层的制备工艺参数；全面深入地阐明了电致变色层的红外调控机理，依托氧化钨薄膜电阻特性和红外特性的内禀属性，定量分析了氧化钨（WO3）薄膜在锂离子插层过程中的光电特性，构建了其光电特性与电阻变化之间的模拟公式；研究制备了多种具有良好的红外调控性能的柔性器件；揭示了全固态器件的性能衰减机制。具体结论如下：1、红外调控电致变色WO3薄膜的红外透射率调制幅度在波长为3.7 μm处时最大，为73.2%，其次为9.4 μm和20.7 μm，分别为68.5%和35.3%。2、氩氧比的改变影响了ITO薄膜的结晶度，进而影响了其红外性能；AZO薄膜的厚度不同影响了其红外特性的表达。3、LiNbO3薄膜和含Li+/Al3+离子的有机凝胶电解质的红外特性研究明确了离子导体层对WO3及其器件红外特性的影响；Si3N4与LixMgyN共同组成的新型电解质层防止了离子注入对NiO薄膜的破坏作用，极大减小了器件的漏电流，提升了器件的开路驻色性能，同时也增强了离子导体层的电化学循环稳定性。4、利用磁控溅射一体化制备了全无机多层膜器件，研究了其响应特性、红外调控、电化学循环稳定性，器件耐候性降低主要是由于阳极变色层NiO膜层残留的不可移动的Li+离子含量递增，一是引起变色的可移动的关键离子数量减少；二是过多的离子堆积，造成了阻塞，切断了电荷传输通道，从而电致变色行为衰减；探索了柔性全无机薄膜电致变色器件PET/Au/NiO/LiNbO3/WO3/ITO，器件褪色态红外发射率高，着色态红外发射率低；且器件在着色时，发射率变化的响应速度较快，褪色时发射率变化的响应速度较慢。