Разработка энергоэффективных электрохромных устройств и тонкопленочных химических источников тока с использованием атомно-слоевого осаждения

В рамках выполнения первого этапа проекта были проанализированы более 200 литературных источников с обобщением и систематизацией данных по электрохромным устройствам, их составу с примерами материалов, дизайну и принципам действия; по электрохромным материалам с рассмотрением примеров покрытий, механизмов создания окраски, методик осаждения и контроля электрохромных свойств; по изучению современного состояния дел по использованию АСО при конструировании ЭХМ. Подробно представлены современные приемы по оптимизации дизайна электрохромных слоев с целью критического повышения их показателей.

Сегодня базовыми электрохромными материалами остаются триоксид вольфрама и оксид никеля как равнозначные по частоте и перспективам использования оксиды, а для уже большого числа разработок, как дополняющие друг друга в одних устройствах. Это подтверждает наше исходное представление, которое мы озвучили в заявке по проекту, где запланировали последовательные экспериментальные работы по осаждению именно этих веществ. Анализ по литературе современных трендов для оптимизации дизайна активных электрохромных слоев показывает стремление к созданию на их базе иерархических структур. Это материалы с многоуровневой системой, задаваемой обычно через пористость (последовательно от микрометровой до нанопористости) и структуру типа "ядро-оболочка". Такие системы более проницаемы для электролита, для диффузии ионов, имеют наиболее протяжённый контакт электродного материала с электролитом, может обеспечивать лучшую передачу заряда между функциональными слоями и др. В этой связи запланированные далее экспериментальные работы по конструированию функциональных композитных слоев на базе массивов углеродных трубок выглядят особенно актуальными, как возможный пример технологии создания многоуровневых систем. Можно использовать такие элементы технологий, как самосборка материалов, создание композитов “ядро-оболочка” и темплатный синтез.

В качестве экспериментальной работы для текущего этапа представляемой работы была проведена серия осаждений на установке АСО фирмы “Picosun R-150”. Использовалось осаждение на модельные подложки для изучения базовых закономерностей процесса. Синтезированы пленки электрохромного материала оксида никеля методом АСО с использованием разных конфигурациях оборудования (под удаленную кислородную плазму, под озон – без модификаций, душ с применением сетки и пластины с отверстиями) и на подложках из кремния и стали. Рассматривалось осаждение в системе реагентов NiCp2-О* (активированный в плазме кислород) и NiCp2-О3. В последнем случае можно осуществлять более надёжный контроль процесса по содержанию активного кислородсодержащего реагента, и оно не зависит от прочих условий эксперимента. В работе выявлено несколько закономерностей осаждения. В частности, от температуры подложки и испарителя, рабочих потоков, концентрации озона, времени различных технологических интервалов рабочего цикла осаждения.

На втором этапе проекта был решен ряд практических задач. В частности, проведены исследования возможности получения слоев катализатора методом атомно-слоевого осаждения, проведена проверка эффективности полученных каталитических структур путем синтеза на их поверхности массивов УНТ, а также исследования АСО как метода модификации электрохромных покрытий и устройств на их основе. Для выявления общих закономерностей синтеза УНТ были проведены анализ и систематизация литературных данных, в результате чего были определены наиболее оптимальные параметры синтеза УНТ. Осаждение УНТ проводилось методом плазмохимического осаждения из газовой фазы с использованием покрытий NiO в качестве каталитических структур. УНТ, полученные на катализаторах разной толщины, были исследованы с помощью ПЭМ и СЭМ. При правильном подборе параметров наблюдался рост длинных УНТ в виде плотного массива.

Методом АСО при различных температурах были получены покрытия смешанного оксида никеля-кобальта на поверхностях монокристаллического кремния и нержавеющей стали. Покрытия были исследованы методами СЭМ и ЭДС, и в результате данных исследований было установлено, что полученные покрытия являются однородными как по толщине, так и по химическому составу на поверхности и имеют хорошую адгезию с исходной подложкой. С помощью РФЭС удалось установить, что объемная фаза покрытий практически не содержит углерода, а преимущественными фазами на спектрах никеля и кобальта являются их двухвалентные оксиды.

В дальнейшем при поддержке Иностранного партнера (Китай) подложки c покрытием NiO использовались для последующего нанесения на их поверхность органо-неорганических электрохромных материалов на основе композита с органическим связующим. Образцы, полученные методом электроосаждения были исследованы с помощью СЭМ и ЭДС. Согласно ЭДС анализу соотношение близко к стехиометрическому. Также полученные органо-неорганические электрохромные материалы были исследованы с помощью циклической вольтамперометрии для определения цветовых переходов электрохромного материала.

При поддержке Иностранного партнера (Индия) FTO подложки с электрохромным покрытием NiO были исследованы с применением метода СЭМ. Полученные в ходе исследования СЭМ-изображения показали, что покрытия оксида никеля повторяют морфологию исходной подложки. Достигнута высокая эффективность окрашивания путем внедрения тонкой пленки NiO, выращенной методом АСО. Такое ЭХУ демонстрирует хорошее электрохромное поведение с эффективной модуляцией пропускания, быстрое время окрашивания и обесцвечивания.

Полученные результаты подтверждают возможность использования предложенных в проекте подходов с применением покрытий оксида никеля-кобальта полученного методом атомно-слоевого осаждения для слоев электрохромных устройств.

Идет реализация 3 этапа проекта.