氧化鎢薄膜最佳摻雜量的計算

電致變色玻璃圖片

長期以來,關於摻雜含量對三氧化鎢變色薄膜材料特性影響,人們都是單憑經驗,通過實驗來確定,並給出定性的理論解釋。實驗上,人們發現 ,摻雜量在一定的範圍內時, 三氧化鎢變色薄膜的性能得到改善。例如,三氧化鎢中二氧化鈦(TiO2)的摻雜降低了三氧化鎢中的缺陷,Ni 和 Co 的摻雜可以降低極化電壓,從而提高三氧化鎢薄膜的穩定性等。關於摻雜改性,在理論研究方面,人們往往是應用量子力學理論計算雜質能級,建立色心模型、價間電荷遷移模型、小極化子模型以及自由載流子模型等來分析變色機理,應用電變色反應方程來分析漂白態與著色態等。適度的摻雜提供了更多的電子(或者空穴),提高了材料的電導率。而摻雜過度,會發生雜質堆積,破壞晶體結構,反而降低了電導率。

薄膜材料是由顆粒很小的晶粒組成的。這些晶粒可能是單晶,也可能是多晶。對於某種電子材料,設某種電子薄膜材料是由 NA 個格點原子和 NB 個摻雜的替位原子組成的單晶(對於多晶結論同樣有意義)。在晶體中,當摻雜含量足夠高,一個格點上的原子被雜質替位,形成一個 BA,而在其相鄰的 Z 個格點上又出現一個BA 時,兩個 BA 相遇,會造成雜質堆積。這時的摻雜破壞了晶體的結構,是原來的晶體結構所不能容忍的摻雜含量。對於溶膠凝膠和反應蒸發法的薄膜製備方法,化學計量比可以很準確,薄膜形成的溫度又不高,雜質分佈很均勻,堆積的可能性就很小,對於磁控濺射等薄膜製備方法,薄膜製備溫度比較低,雜質分佈不很均勻,堆積的可能性稍大。對於真空蒸發法,薄膜製備溫度比較高,雜質分佈不均勻,堆積的可能性更大。對於化學氣相沉積製備方法,薄膜製備溫度變化大,雜質堆積的能力較強。

範志新等人研究得出對於給定的具體薄膜材料晶體結構和製備方法,可以通過確定晶體配位元數和薄膜形成過程中原子的能量變化,在比較寬的取值範圍內來定量計算出薄膜的最佳摻雜粒子數分數 x。對於溶膠凝膠法,最佳摻雜含量 x=14.2857%;對於磁控濺射和電子束蒸發等方法等,最佳摻雜含量 x=8.6647%;對於真空蒸發等方法,x=5.2554%;對於化學氣相沉積等方法,x=3.1876%。這些理論計算,還沒有區分摻雜劑為哪種元素,這些理論值與實驗結果是否相符合還有待於實驗上進一步證實,對理論也有必要加以完善。當然,對於三氧化鎢電致變色薄膜,摻雜改性的作用,某種性能隨雜質含量的變化的實驗曲線,可能並不是抛物線形狀,而可能是臺階狀的飽和曲線形狀。或者不同的摻雜含量,對應所需要的不同的著色效果,沒有什麼最佳摻雜含量而言。這樣,最佳摻雜含量並不是能容易直觀確定的,而是需要綜合地判斷。