提高真空蒸发制备的1,4,5,8-萘四羧酸二酐薄膜的电化学可逆性和自组织性能，以应用于动态玻璃领域

《Thin Solid Films》：Enhancement of electrochemical reversibility and self-organization of vacuum evaporated 1, 4, 5, 8-naphthalene-tetracarboxylic-dianhydride thin films for dynamic glasses applications

真空退火温度对1,4,5,8-萘四羧酸二酐（NTCDA）薄膜电致变色性能的影响研究。通过XRD、SEM、电化学和光谱分析发现，423 K退火后薄膜结晶度最高，缺陷最少，电化学可逆性最佳，吸光率最低，表现出最优的电致变色性能。

　　

P. Aruna | M.R. Rajani | Aditya Surana | Shreyas Kapri | S. Sindhu | Rajesh Cheruku | C.M. Joseph

应用物理系，Dayananda Sagar工程学院，K S Layout，班加罗尔，560111，卡纳塔克邦，印度

摘要

本研究探讨了在沉积后经高真空（1.3 × 10^-4 Pa）退火处理过的1,4,5,8-萘四羧酸二酐（NTCDA）薄膜的电致变色性能。沉积后的样品分别在323 K、373 K、423 K和473 K的不同温度下进行真空退火处理。通过X射线衍射图谱观察到，退火处理提高了NTCDA薄膜的结晶度，因为分子排列更加有序；扫描电子显微镜图像显示退火处理有助于减少结构缺陷。沉积态NTCDA薄膜的带隙约为3.84 eV。对所有退火样品的电化学可逆性进行了计算，结果发现423 K下退火的薄膜表现出更好的可逆性。沉积后的退火处理改变了NTCDA薄膜的自组织结构，进而影响了其电致变色性能。

引言

电致变色现象是指材料在施加电场作用下光学性质（尤其是颜色）发生可逆变化的现象，这一现象因对节能技术（如智能窗户、显示器、镜子等）的需求增加而受到广泛关注，因为这些应用中颜色的调节和光传输的控制至关重要[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。这种光学性质的可逆性在节能和环境方面具有重要意义。基于有机材料的易合成性、低成本以及可调的光学特性，尤其是基于共轭体系的有机材料，最近被认定为电致变色的有希望的候选材料，相比传统的无机材料更具优势。其中，1,4,5,8-萘四羧酸二酐（NTCDA）[[8], [9], [10], [11]]因其在电场作用下能够可逆地改变颜色和透明度而受到了长达数十年的深入研究。

NTCDA是一种含有共轭骨架的有机化合物，这种结构使得分子中的电子能够发生离域。当施加电位差时，NTCDA会发生可逆的氧化还原反应，从而导致吸收光谱的变化，进而引起可见颜色的变化。NTCDA的电致变色（EC）效应在这些氧化还原过程中最为显著。分子被氧化或还原时，其分子结构和电子构型会相应改变，从而直接影响其光学性质[[13]]。施加外部电压时，NTCDA的颜色会从无色或淡黄色变为有色状态，具体取决于所施加的电位[[14], [15], [16], [17]]。尽管NTCDA具有优异的电致变色性能，但其电致变色机制[[17], [18], [19], [20], [21], [22]]仍存在争议。溶剂效应、温度效应、氧化还原过程类型以及微观形态对其性能（如效率、稳定性和电致变色响应的可逆性）具有重要影响。深入理解这些因素对于充分发挥NTCDA的实际应用价值至关重要[[23]]。同时，也有望通过修改其分子结构来进一步优化开关时间、循环稳定性和颜色对比度[[25], [26], [27], [28]]。

本研究旨在深入探讨沉积后真空退火对基于氢键的有机半导体NTCDA电致变色性能的影响[[29], [30], [31], [32], [33]]。通过运用一系列成熟的电化学、光谱学和光学表征技术[[34], [35], [36], [37], [38], [39]]，系统地研究了该材料在不同条件下的表现，以便更好地应用于先进的电致变色器件[[37], [38], [39]]。本文探讨了多种光学参数（如吸收率、带隙）和电化学参数（如循环伏安法（CV）滞后面积、电化学可逆性（ER）等），以开发更加稳定、高效和多功能的电致变色系统[[40,41]]。这样的研究有望促进NTCDA基材料在电致变色器件中的商业化应用[[42]]。本工作重点研究了NTCDA薄膜在智能窗户玻璃中的应用中的电致变色性能。

实验部分

本研究中使用的NTCDA纯度为99.9%，直接使用，无需进一步纯化。使用的氧化铟锡（ITO）涂层玻璃片（尺寸25 mm × 25 mm × 1.1 mm）和边角经过打磨处理的蓝色玻璃片（尺寸75 mm × 25 mm × 1.35 mm）均购自Sigma Aldrich，表面电阻率为30-60 Ω/sq。所有玻璃片均经过标准清洗程序处理，包括用水冲洗和在丙酮中超声清洗，以确保清洁度。

结构和微观结构表征

对沉积态和真空退火后的NTCDA薄膜进行X射线衍射（XRD）测量，结果如图2所示。XRD图谱显示这些薄膜的(200)面峰位于约29°处，这是NTCDA的特征峰[[43,44]]。

如图2所示，退火处理提高了NTCDA薄膜的结晶度，因为分子排列更加有序[[43]]。沉积后的退火处理显著增强了薄膜的结晶度。

结论

真空退火通过改变分子排列和减少结构缺陷提高了NTCDA薄膜的结晶度。研究发现，在423 K下退火的薄膜具有最低的吸光度，并且表现出更好的电化学可逆性。在423 K下退火的薄膜在电致变色性能上表现最佳。总之，沉积后的真空退火改变了NTCDA薄膜的自组织结构。

数据可用性

所有数据均包含在手稿中，如需其他额外数据可另行提供。

作者贡献声明

P. Aruna：撰写初稿、资源协调、项目管理和数据管理。 M.R. Rajani：项目监督、资源协调。 Aditya Surana：方法验证。 Shreyas Kapri：资源协调和实验研究。 S. Sindhu：项目监督、资源协调和概念设计。 Rajesh Cheruku：项目管理。 C.M. Joseph：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法设计及概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

感谢印度卡纳塔克邦贝尔高姆的Visvesvaraya技术大学（VTU）通过CSE8（2010-11）项目提供的财政支持，同时也感谢印度卡纳塔克邦政府信息技术部、生物技术科学部的Vision Group on Science and Technology通过CISEE项目（GRD 26）提供的财政支持。