Электрохромные нанокомпозитные пленки на основе оксида графена с управляемыми оптическими свойствами

УДК 620.3

DOI: 10.24411/9999-046A-2020-11031

ЭЛЕКТРОХРОМНЫЕ НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ГРАФЕНА С УПРАВЛЯЕМЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

ELECTROCHROMIC NANOCOMPOSITE FILMS BASED ON GRAPHENE OXIDE WITH CONTROLLED OPTICAL

PROPERTIES

Щегольков А. В., аспирант кафедры ''Техника и технологии производства нанопродуктов", ФГБОУ ВО ТГТУ Shchegolkov A. V., Ph. D. student of the Department of Technology and Methods of Nanoproducts Manufacturing, Tambov state technical university

В статье представлены результаты исследований оптических свойств нанокомпозитных электрохром-ных пленок WO3/rGO, полученных техникой спрей пиролиза и остуженных при температуре 300 °C. Установлено влияние различных концентрации GO в составе электрохромной композиции WO3 на изменения оптических свойств пленки. Получены данные изменения оптических свойств нанокомпозитных электрохромных пленок W^/rGO, содержащих 0; 2,5; 5; 7,5 масс. % GO. Доказано, что с увеличением концентрации GO в составе электрохромной композиции WO3 уменьшается светопропускание.

In the article presents the results of studies of optical properties of W^/rGO nanocomposite electrochromic films obtained by the pyrolysis spray technique and annealed at a temperature of 300 °С. The effect of various concentrations of GO in the composition of the electro-chromic composition WO3 on the changes in the optical properties of the film was established. Data on the changes in the optical properties of nanocomposite electro-chromic films WO3/rGO containing 0; 2.5; 5; 7.5 mass. % GO It is proved that with an increase in the concentration of GO in the composition of the electrochromic composition WO3, the light transmission decreases.

Ключевые слова: электрохромное устройство, оксид графена, триоксид вольфрама

Keywords: electrochromic device, graphene oxide, tungsten trioxide

Введение

Электрохромные материалы (ЭМ) — материалы способные изменять свои оптические свойства под действием внешнего электрического поля. На сегодняшний день ЭМ вызывают интерес все большего числа исследователей по всему миру [1—3] в связи с возможным созданием на их основе целого ряда устройств, которым относятся: элементы отображения информации, электрооптические модуляторы, оптические переключатели, средства защиты от солнечного излучения и другие устройства оптики, обладающих низким энергопотреблением. Для создания широкого спектра электрохромных устройств (ЭХУ) необходимо решить ряд задач, направленных на улучшение свойств и характеристик ЭМ, в первую очередь за счет использования нанотехнологий и на-номатериалов. Использование оксида графена в качестве модификатора для ЭМ обусловлено рядом уникальных особенностей данного материала, а именно: низкой чувствительностью к воздействию ультрафиолетового излучения, химической инертностью, высокой удельной площадью поверхности, возможностью изменения зарядового состояния, а также повышенной электропроводимостью (восстановленного оксида графена) делают данный материал привлекательным.

Экспериментальная часть

На современном этапе создания тонких электрохромных пленок на основе оксидов металла все более широкое применение данные материалы находят в различных оптических устройствах (рис. 1), а также дисплеях для вывода информации [1, 2]. Явление электрохромизма в тонких пленках связано с реверсивными процессами инжекции или экстракции электронов и катионов (Н+, Li, К и др.), которое заключается в обратимом изменении оптических свойств материала.

Окисленная форма, О + xe + Катион ^ ^ Восстановленная форма, R.

Электрохромным эффектом обладают аморфные и кристаллические пленки предельных оксидов ряда переходных

Подложка Проводящий электрод

Электрохромный слой

Электролит/источник ионов Проводящий электрод

та и хорошая циклическая стабильность. Электрохимический процесс при катодной поляризации можно представить как одновременный процесс переноса катиона (К+) со стороны электролита в оксид и электрона от границы электрода.

Подложка

Рис. 1. Схема электрохромной оптической ячейки

металлов, таких как М, Мо, V, Т1, N1, а также гидроокиси и гидратированные оксиды некоторых металлов. Среди различных электрохром-ных соединений триоксид вольфрама (МОз) привлекает повышенное внимание благодаря своим выдающимся электрохромным свойствам, таким как высокая эффективность окраски, хороший эффект цветовой памяти, большой контраст цве-

WO3 + xH+ + xe-WO3 + xLi+ + xe-

о HxWO

3>

о LixWO3.

В уравнении (2) для неорганического электролита и в случае (3) для органического. При этом цвет пленки меняется от бледно-серого до голубого или синего. Изменение полярности на противоположную по знаку приводит соединение оксида к первоначальному неокрашенному состоянию.

Несмотря на значительные достижения в области создания электрохромных пленок на основе МОз, данный состав может быть дополнительно улучшен путем модификации различными

Рис. 2. Спектры оптического светопропускания пленок WOj/GOyiTO-Glass/ 300 °C/ Vac / 0...—2,2 В:

а) WO3/ITO-Glass / 300 °C / Vac / 0...-2,2 В;

б) WO3/rGO2.5 % /ITO-Glass / 300 °C / Vac / 0...-2,2 В;

в) WO3/rGO5 % /ITO-Glass / 300 °C / Vac / 0..- 2,2 В;

г) WO3/rGO7 5 % /ITO-Glass / 300 °C / Vac / 0...-2,2

композиционными материалами. По сравнению с обычным электрохромным составом WOз возможно дополнительное улучшение таких свойств, как оптическая модуляция, циклическая стабильность и эффективность окраски.

Важным с практической точки зрения является возможность модификации электрохромных пленок углеродными наноструктурами, в частности оксидом графеном и его восстановленными формами [4, с. 202].

В данной работе были получены элект-рохромные нанокомпозитные пленки WOз/GOx (х = 2,5—7,5 %). Спектральный анализ образцов нанокомпозитных электрохромных пленок WOз/GOx (х = 2,5—7,5 %), изготовленных с помощью напыления наноразмерных частиц дисперсионного состава (рис. 2). Оптические свойства электрохромных пленок, полученных низкотемпературным электрохимическим осаждением, показаны при разной концентрации GO на рис. 2.

Структуру полученных образцов WOз/rGOx изучали на сканирующем электронном микроскопе Jeol JAMP-9510F (Япония). На СЭМ рис. 3

выделена область, включающая в себя все компоненты электрохромной пленки, полученной в результате напыления электрохромного состава. 8р2 и 8р3 карта элементного состава представлена на рис. 3, б на которой по цветам показан состав электрохромной пленки: зеленый цвет соответствует восстановленному оксиду графена, синий — электрод 1ТО и красный — WOз.

Выводы

Полученные электрохромные пленки WOз/GOx с помощью механического напыления обладали обратимостью, высокой эффективностью окрашивания во всем диапазоне рабочего напряжений [0...—2,3 В]. При этом данные пленки показали высокую эффективность светопропускания в диапазоне длины волны от 250 до 1100 нм.

В результате исследования оптических свойств накомпозитных электрохромных пленок было выявлено, что при увеличении содержания концентрации GOx в составе композиции увеличивается светопоглащательная способность электро-хромной пленки WOз/GOx.

Список литературы

1. Louloudakis D., Thongpan W., Mouratis K., Koudoumas E., Kiriakidis G., Singiai P. Novel Spark Method for Deposition of Metal Oxide Thin Films: Deposition o Hexagonal Tungsten Oxide. Physica Status Solidi A, 2019, vol. 216, no. 7, pp. 513-519.

2. Zhang G., Lu K., Zhang X., Yuan W., Shi M., Ning H., Tao R., Liu X., Yao R., Peng J. Effects of Annealing Temperature on Optical Films Gap of Sol-gel Tungsten Trioxide Films. Micromachines, 2018, vol. 9, no. 8, pp. 377—386.

3. Li Y., McMaster W. A., Wei H., Chen D., Caruso R. A. Enhanced Electrochromic Properties of WO3 Nanotreelike Structures Synthesized via a Two-Step Solvothermal Process showing Promise for Electrochromic window Application. ACS Applied Nano Materials, 2018, vol. 1, no. 6, pp. 2552—2558.

4. Александрова О. А., Бобков А. А., Максимов А. И., Мошникова В. А. и др. Наноструктурные оксидные материалы в современной микро-, нано- и оптоэлектронике. — СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. — 266 с.

5. Щегольков А. В., Щегольков А. В. Получение нанокомпозитных электрохромных пленок WO3/rGO методом спрей-пиролиза на стеклянных подложках ITO / А. В. Щегольков // Вектор науки ТГУ. — 2019. — № 3(49). — С. 69—76.