氧化鎢薄膜最佳摻雜量的計算

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。