退火温度与氧分压协同调控WO3薄膜电致变色性能的机制研究

研究人员通过调控直流磁控溅射(DC magnetron sputtering)中氧分压(PaO2)和退火温度，系统研究了WO3薄膜的形貌与电致变色(EC)性能关系。发现0.5 mTorr PaO2结合200°C退火处理的薄膜展现出83%光学调制率、30.54 cm2/C着色效率(CE)及优异循环稳定性，为智能窗等节能器件开发提供了优化策略。

　　

在能源危机与碳中和背景下，智能窗技术因其可动态调节光热特性的优势成为研究热点。其中，三氧化钨(WO₃)薄膜作为经典电致变色(EC)材料，其性能受制于制备工艺参数与后处理条件的复杂影响。尽管前人已认识到氧分压(PaO₂)和退火温度的关键作用，但二者协同效应对薄膜微观结构及EC性能的调控机制仍不明确，导致实际应用中常出现裂纹、低着色效率(CE)和循环稳定性差等问题。

为破解这一难题，来自印度的研究团队在《Optik》发表论文，通过直流磁控溅射(DC magnetron sputtering)在氟掺杂氧化锡(FTO)基底上制备WO₃薄膜，系统考察了0.3/0.5 mTorr两种PaO₂条件下，室温至400°C退火对薄膜性能的影响。研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和电化学测试等技术，揭示了"PaO₂-退火温度-微观结构-EC性能"的构效关系。

主要技术方法
研究团队通过直流磁控溅射在FTO玻璃上沉积WO₃薄膜，设置0.3/0.5 mTorr两种PaO₂条件。采用XRD分析结晶相变，SEM观察表面形貌，电化学工作站测试离子扩散系数和循环稳定性，紫外-可见分光光度计测定光学调制率和CE值。

XRD分析
XRD图谱显示：0.3/0.5 mTorr沉积的薄膜在室温至200°C退火时保持非晶态；300°C出现轻微结晶；400°C时衍射峰显著增强，表明高温促进非晶-晶相转变。

形貌特征
SEM观测发现：0.3 mTorr室温样品存在裂纹，显示内应力积聚；随PaO₂和退火温度升高，表面趋于平滑；400°C时出现颗粒状形貌，与结晶化进程相关。

电化学性能
0.5 mTorr结合200°C退火的薄膜表现最优：离子扩散系数提高3倍，100次循环后性能衰减<5%；光学调制率达83%，CE值30.54 cm2/C；着色/褪色时间仅1.17/0.82秒，显著优于其他处理条件。

结论与意义
该研究首次阐明PaO₂与退火温度的协同调控机制：中等PaO₂(0.5 mTorr)可平衡氧空位与应力，而200°C退火既能保持非晶态优势又促进结构松弛。这种"温和结晶"策略突破了传统高温结晶导致的性能劣化瓶颈，为开发高稳定性EC器件提供了新思路。研究提出的参数优化窗口，对智能窗、防眩后视镜等节能产品的工业化生产具有重要指导价值。