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Author: 童亞潔
Ya-Chieh Tung
Thesis Title: 以電化學法製備多孔性奈米結構氧化鎢薄膜及其電致色變性質之研究
A Study on the Electrochromic Properties of Porous Nanostructured WO3 Thin Films Prepared by Electrochemical Method
Advisor: 郭金國
Kuo, Chin-Guo
Degree: 碩士
Master
Department: 工業教育學系
Department of Industrial Education
Thesis Publication Year: 2009
Academic Year: 97
Language: 中文
Number of pages: 69
Keywords (in Chinese): 電化學電致色變奈米結構氧化鎢薄膜穿透率
Keywords (in English): Electrochemistry, Electrochromic, Nanostructure, WO3 Thin Film, Transmission
Thesis Type: Academic thesis/ dissertation
Reference times: Clicks: 245Downloads: 9
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  • 本研究主要為利用陽極處理法於鎢材表面生長一具有奈米管之氧化鎢薄膜,此奈米管薄膜具有良好的電化學反應性質和大表面積特性,可用於電致色變元件的還原極,用以增加電致色變元件的變色速度與顏色的鮮豔度。並探討各種條件對薄膜成份、微結構和電致色變性質的影響。
    實驗結果發現,當溶液厚度為1mm時,在波長480nm處,其著色去色之穿透率變化可達42.9%,且在任何波長下均具有較高的光學密度,而薄膜元件之著色效率為η=15.2cm2/C,此薄膜元件具有最佳的可逆性。並將氧化鎢薄膜元件經過100次循環之後,其再現性和著色去色穿透率並沒有受到影響,薄膜元件的穩定性仍相當良好。

    A large area and excellent properties of electrochemistry reaction on tungsten oxide (WO3) with nanotube structure film was fabricated on the metal (W) by anodization. This film can be used for electrochromic(EC) reduction electrode and to enhance the color changing speed. The objective of this study is to investigate the effects of thickness conditions on the composition, microstructure, electrochromic properties of tungsten oxide films prepared.
    Experimental results at the thickness of 1mm, the transmission change between colored and bleached states at a wavelength of 480nm was 42.9%. The film obtained high optical density, and coloration efficiency was 15.2cm2/C. The reproducibility and the transmission of colored and bleached state were not affected after 100 cycles.

    總 目 錄 中文摘要…………………………………………..………………..I 英文摘要………………………………………….………………..II 總目錄……………………………………………….……………III 圖目錄………………………………………………...………...VI 表目錄………………………………………………….…………IX 第一章 緒論…………………………………..……………………1 1.1 前言…………………………………...………………….1 1.2 技術發展…………………………………...……….……2 1.3 研究動機與目的……………………………...….………2 第二章 文獻回顧……………………………………………..……4 2.1 電致色變系統簡介…………………..……………...….. 4 2.1.1 電致色變原理………………………………...…..…4 2.1.2 電致色變機制………………………………….……5 2.2 電致色變材料型態………………………...……...……..6 2.2.1 電致色變材料與性質…………………………….…6 2.2.2 典型電致色變材料物態………………………...…10 2.3 電致色變元件之結構………………………..……...….10 2.3.1 電致色變元件…………………………………...…10 2.3.2 氧化鎢結構……………………………………...…15 2.4 電致色變層之製備…………………………..……...….17 2.5 電致色變元件之應用……………………………...….. 17 第三章 研究設計與實驗方法……………………………………20 3.1 實驗程序圖………………………………………..……20 3.2 實驗材料…………………………………………..……21 3.3 基材前處理…………………………………..…...…….21 3.4 實驗設備………………………………...………….…..21 3.5 濺鍍系統步驟與條件……………………...……….…..23 3.6 電化學系統步驟與條件…………………...………..….23 3.7 薄膜微觀結構性質分析與測試………………………..25 3.7.1 濺鍍速率之量測……………………………...……25 3.7.2 能量分散光譜儀分析……………………...………26 3.7.3 微結構之觀察…………………………...…………26 3.7.4 電化學反應分析…………………………...………26 3.7.7 光學性質分析…………………...…………………27 第四章 實驗結果與分析…………………………………………28 4.1 氧化鎢薄膜微結構組織分析…………...……...………28 4.2 氧化鎢薄膜電性化學反應分析………………...…...…36 4.3 電致色變元件性質反應分析………………………..…38 4.4 電致色變元件光學性質分析…………………...…...…41 4.5 電致色變元件可靠度測試….…………………….……48 第五章 結論………………………………………………………51 第六章 未來展望…………………………………………………53 第七章 參考文獻…………………………………………………54 圖 目 錄 圖2-1 電致色變反應機制示意圖…………………………………5 圖2-2 具有電致色變性質的氧化物之過渡金屬元素……………9 圖2-3 電致色變裝置圖…………………………………………..13 圖2-4 可見光波段的裝置:(a)穿透式元件 (b) 反射式元件…...13 圖2-5 氧化鎢單位晶胞示意圖…………………………………..15 圖2-6 氧化鎢晶體結構…………………………………………..16 圖2-7 四種不同原子排列的氧化鎢結晶結構…………………..16 圖2-8 電致色變智慧窗:(a)去色態 (b)著色態………………...19 圖2-9 電致色變汽車防眩後視鏡………………………………..19 圖3-1 實驗流程與分析…………………………………………..20 圖3-2 直流磁控濺鍍系統裝置…………………………………..22 圖3-3 直流電源供應器系統……………………………………..22 圖3-4 陽極處理示意圖…………………………………………..24 圖3-5 鎢之電化學Pourbaix圖…………………………………..25 圖4-1 純度99.5%的鎢材經0.1 wt.%氟化鈉(NaF)溶液1小時陽極 處理後之顯微影像,(a)20V (d)40V (c)60V (d)80V……...29 圖4-2 純度99.5%的鎢材經0.4M草酸(H2C2O4)溶液1小時陽極 處理後之顯微影像,(a)40V (b)60V (c)80V(d)100V……30 圖4-3 純度99.5%的鎢材經0.4 wt.%氟化鈉(NaF)溶液1小時陽極處理後之顯微影像,(a) 20V (b)40V (c)60V (d)80V (e)100V……………………………………………………31 圖4-4 純度99.5%的鎢材經0.4 wt.%氟化鈉(NaF)溶液1小時陽極處理後之顯微影像,(a)30V (b)35V (c)40V (d)45V (e)50V……………………………………………………..32 圖4-5 WO3奈米管的形成反應示意圖…………………………..33 圖4-6氧化鎢薄膜(WO3 on glass)之表面型態…………………..34 圖4-7氧化鎢薄膜(WO3 on glass)之膜厚………………………34 圖4-8 為WO3之EDS成份分析圖, (a)W材 (b)WO3 on glass…35 圖4-9 氧化鎢薄膜(WO3 on glass)之AFM表面型態……………36 圖4-10 不同電壓之電流-時間曲線圖…………………………...37 圖4-11 不同濃度之電流-時間曲線圖…………………………...37 圖4-12 電致色變元件在電解液1mm厚度之循環伏安曲線圖…39 圖4-13 電致色變元件在電解液0.7mm厚度之循環伏安曲線圖.39 圖4-14 電致色變元件在電解液0.5mm厚度之循環伏安曲線圖.40 圖4-15 電致色變元件在電解液0.3mm厚度之循環伏安曲線圖.40 圖4-16 電致色變元件在電解液0.1mm厚度之循環伏安曲線圖.41 圖4-17 (a)氧化鎢薄膜元件在不同電解液厚度下著色後狀態 (b)氧化鎢薄膜元件在不同電解液厚度下去色後狀況….42 圖4-18 電致色變元件在電解液1mm厚度之穿透光譜圖………43 圖4-19 電致色變元件在電解液0.7mm厚度之穿透光譜圖……43 圖4-20 電致色變元件在電解液0.5mm厚度之穿透光譜圖……44 圖4-21 電致色變元件在電解液0.3mm厚度之穿透光譜圖……44 圖4-22 電致色變元件在電解液0.1mm厚度之穿透光譜圖……45 圖4-23 電致色變元件在不同電解液厚度著色後之穿透光譜圖45 圖4-24 電致色變元件在不同電解液厚度去色後之穿透光譜圖46 圖4-25 電致色變元件在不同電解液厚度之光學密度圖............47 圖4-26 為不同電解液厚度下製作之氧化鎢薄膜元件的著色效率變化圖…………………………………………...………48 圖4-27 電致色變元件在電解液1mm厚度100次之循環伏安曲線圖………………………………………………...………50 圖4-28 電致色變元件在電解液1mm厚度100次之穿透光譜圖..50 表 目 錄 表2-1 變色材料驅動方式機制的比較……………………………6 表2-2 電致色變材料分類…………………………………………8 表2-3 不同著色態之電致色變材料分類…………………………9 表2-4 用於電致色變之電解質…………………………………..14

    [1] C. G. Granqvist, E Avendano, A. Azens, “Electrochromic Coatings and Devices: Durvey of Some Recent Advances”, Thin Solid Films 442 (2003) 201-211.
    [2] S. K. Deb, “A Novel Electrophotographic System”, Appl.Optics, Suppl.3 (1969) 192.
    [3] B. W. Faughnan, R. S. Crandall, P. M. Heyman, “Electrochromism in WO3 Amorphous Films”, RCA Review l36 (1975) 177-197.
    [4] 何國川,電化學與無窗簾時代,化工,第37卷,第3期,頁32-42(1990)。
    [5] 何主亮,邱明傑,反應磁控濺鍍氧化鎢薄膜氧含量對其電致色變性質之影
    響,真空科技,第12卷,第3期,頁4-15(1999)。
    [6] P. R. Somani, S. Radhakrishnan, “Electrochromic materials and devices : present and future”, Materials Chemistry and Physics 77 (2002) 117-133.
    [7] 謝育忠,電漿濺鍍電致色變氧化鎳薄膜特性研究與節能評估,中原大學化
    學工程系,碩士論文,民國九十一年。
    [8] C. M. Lampert, “Smart Switchable Glazing for Solar Energy and Daylight
    Control”, Solar Energy Materials and Solar Cells 52 (1998) 207-221.
    [9] D. N. Buckley, L. D. Burke, J. K. Mukahy, J. Chem. Soc, Faraday 72 (1976)
    1896.
    [10] L. D. Burke, E. J. M. O’sakan, J. Electroanal. Chem. 93 (1978) 11.
    [11] Y. A. Yang, Y. W. Cao, B.H. Loo, J. N. Yao, J. Phys. Chem. B102 (1998) 9392.
    [12] Z. S. Guan, J. N. Yao, Y. A. Yang, B. H. Loo, J. Electroanal. Chem. 443 ( 1998)
    175.
    [13] A. M. Andersson, W. Estrada and C. G. Granqvist, “Characterization of
    electromic dc-sputtered nickel-oxide-based films”, SPIE 1272 (1990) 96-110.
    [14] T. Yoshino, N. Baba, H. Masuda and K. Arai, “The Electrochemical Society
    Softbound Proceedinga Series, Pennington”, (1990) 89.
    [15] J. Nagao : Sol. Energy Mater. Sol. Cells 31 (1993) 291.
    [16] K. Boufker : J. Appl. Electrochem.25 (1995) 797.
    [17] C. K. Dyer and J. S. Lech : J. Electrochem. Soc. 125(1987) 23.
    [18] Z. Gao, G. Wang, P. Li and Z. Zhao : Electrochem. Acta 36 (1991) 147.
    [19] K. J. Kulesza and M. Faszynska : J. Electroanal. Chem. 252 (1988) 461.
    [20] A. Avendano, A. Azens, G. A. Niklasson, C, G. Granqvist, “Sputter Deposited
    Electrochromic Films and Devices Based on These : Progress on Nickel-Oxide
    -Based Films”, Materials Science and Engineering B138 (2007) 112-117.
    [21] C. Corbella, M. Vives, A. Pinyol, I. Porqueras, C. Person, E. Bertan, “Mfluence of The Porosity of RF Sputtered Ta2O5 Thin Films on Their Optical Properties for Electrochromic Applications”, Solid State Ionics 165 (2003) 15-22
    [22] M. S. Monk, R. J. Mortimer, D. R. Rosseinsky, “Electrochromism:
    Fundaments and Applications”, VCH, Weinheim, (1995) 45-46.
    [23] 李淑端,有機固態電解質電致色變元件之製作,逢甲大學材料與製造工程研究所,碩士論文,民國九十二年。
    [24] K. Bange, “Colouration of tungsten oxide films : A model for optically active coatings”, Solar Energy Materials & Solar Cells 58 (1999) 1-131.
    [25] C. Bechinger, H. Mufer, C. Schafle, O. Sundberg, P. Leiderer, “Submicron metal oxide structures by a sol-gel process on patterned substrates”, Thin Solid Films 366 (2000) 135-138.
    [26] L. Meda, Richars C., Thin Solid Films 402 (2002) 126.
    [27] A. Azen, M. Kitenbergs and U.Kanders, Vacuum 46 (1995) 745-747.
    [28] B. Munro, S. kramer, P.Zapp, H.Krug and H. Schmidt, “All sol-gel electrochromic system for plate glass”, Non-Crystalline Solids 218 (1997) 185-188.
    [29] A. Patra, K. Auddy, D. Ganguli, J. Livage and P.K. Biswas, “Sol-gel electrochromic WO3 coatings on glass”, Mateial Letters 58 (2004) 1059-1063.
    [30] J. Livage and D. Ganguli, “Sol-gel electrochromic coatings and devices: A review”, Solar Energy Material & Solar Cells 68 (2001) 365-381.
    [31] R. W. Berry, P.M. Hall and M. T. Harris, “Thin Film Technology” (1980) 201.
    [32] C. M. Lampert. Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng 4458 (2001) 95.
    [33] H. J. Byker, U. S. Patent, No. 5 (1992) 799.
    [34] http://eetd.lbl.gov/newsletter/nl5/electro_window.html
    [35] http://www.gentex.com/
    [36] A. SioKou, S. Ntais, S. Papaefthimiou, G. Leftheriotis, P. Yianoulis, “Influence of the substrate on the eletrochromic characteristics of lithiated a-WO3 layers”, Surface Science 566 (2004) 1168-1173.
    [37] H. Kamal, A. A. Akl, K.Abdel-Hady, “Influence of proton insertion on the conductivity, structural and optical properties of amorphous and crystalline electrochromic WO3 films”, Physica B 349 (2004)192-205.

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