氧化钨薄膜最佳掺杂量的计算

长期以来，关于掺杂含量对三氧化钨变色薄膜材料特性影响，人们都是单凭经验，通过实验来确定，并给出定性的理论解释。实验上，人们发现 ，掺杂量在一定的范围内时， 三氧化钨变色薄膜的性能得到改善。例如，三氧化钨中二氧化钛（TiO2）的掺杂降低了三氧化钨中的缺陷，Ni 和 Co 的掺杂可以降低极化电压，从而提高三氧化钨薄膜的稳定性等。关于掺杂改性，在理论研究方面，人们往往是应用量子力学理论计算杂质能级，建立色心模型、价间电荷迁移模型、小极化子模型以及自由载流子模型等来分析变色机理，应用电变色反应方程来分析漂白态与着色态等。适度的掺杂提供了更多的电子(或者空穴)，提高了材料的电导率。而掺杂过度，会发生杂质堆积，破坏晶体结构，反而降低了电导率。

薄膜材料是由颗粒很小的晶粒组成的。这些晶粒可能是单晶，也可能是多晶。对于某种电子材料，设某种电子薄膜材料是由 NA 个格点原子和 NB 个掺杂的替位原子组成的单晶(对于多晶结论同样有意义)。在晶体中，当掺杂含量足够高，一个格点上的原子被杂质替位，形成一个 BA，而在其相邻的 Z 个格点上又出现一个BA 时，两个 BA 相遇，会造成杂质堆积。这时的掺杂破坏了晶体的结构，是原来的晶体结构所不能容忍的掺杂含量。对于溶胶凝胶和反应蒸发法的薄膜制备方法，化学计量比可以很准确，薄膜形成的温度又不高，杂质分布很均匀，堆积的可能性就很小，对于磁控溅射等薄膜制备方法，薄膜制备温度比较低，杂质分布不很均匀，堆积的可能性稍大。对于真空蒸发法，薄膜制备温度比较高，杂质分布不均匀，堆积的可能性更大。对于化学气相沉积制备方法，薄膜制备温度变化大，杂质堆积的能力较强。

范志新等人研究得出对于给定的具体薄膜材料晶体结构和制备方法，可以通过确定晶体配位数和薄膜形成过程中原子的能量变化，在比较宽的取值范围内来定量计算出薄膜的最佳掺杂粒子数分数 x。对于溶胶凝胶法，最佳掺杂含量 x＝14.2857％；对于磁控溅射和电子束蒸发等方法等，最佳掺杂含量 x＝8.6647％；对于真空蒸发等方法，x=5.2554%；对于化学气相沉积等方法，x=3.1876%。这些理论计算，还没有区分掺杂剂为哪种元素，这些理论值与实验结果是否相符合还有待于实验上进一步证实，对理论也有必要加以完善。当然，对于三氧化钨电致变色薄膜，掺杂改性的作用，某种性能随杂质含量的变化的实验曲线，可能并不是抛物线形状，而可能是台阶状的饱和曲线形状。或者不同的掺杂含量，对应所需要的不同的着色效果，没有什么最佳掺杂含量而言。这样，最佳掺杂含量并不是能容易直观确定的，而是需要综合地判断。