摘要：采用离子交换法与金属醇盐水解法制备WO3- SiO2复合薄膜，对不同温度热处理的复合薄膜及单一组分薄膜的结构和气致变色性能进行了对比分析。XRD分析结果表明，复合薄膜的晶化温度提高、晶化程度降低，存在一定的晶格畸变；IR分析结果表明，在热处理过程中复合薄膜氧化钨分子间不易缩合，分子结构对称性低、变形多。性能测试结果表明， WO3与SiO2之间的相界等结构缺陷使氢气易于扩散，使复合薄膜表现出优良的气致变色性能。
关键字：WO3-SiO2 复合薄膜 结构 气致变色
1．引言
作为一种理想的电致变色材料，氧化钨已得到人们广泛研究 [1]。与电致变色相比，气致变色器件具有系统结构简单，成本相对低廉等优点，近年来开始受到人们重视。德国、以色列等国先后对此展开了研究。 德国Fraunhofer太阳能系统研究所采用电子束蒸发等手段制备表面镀铂的三氧化钨薄膜，气致变色性能较好，但成本高[2]。ZAYAT等人采用离子交换法制备了掺铂的三氧化钨薄膜[3]，提供了制备低成本气致变色薄膜的新思路。然而我们的研究表明，该种薄膜一经热处理则性能下降甚至丧失，而未经热处理的薄膜存在硬度低，附着力差等缺点，不便应用。为此，我们制备了掺铂的WO3- SiO2复合薄膜，研究结果表明，经过热处理后的复合薄膜性能明显优于单一组分薄膜。本文对不同温度热处理的复合薄膜及单一组分薄膜结构和性能进行了研究。
2．实验
2.1 样品制备
以钨酸钠为原料，采用离子交换法制得0.5mol/lWO3溶胶，加入一定量双氧水提高溶胶稳定性，以乙醇代替部分水提高成膜质量，然后掺入适量的氯亚铂酸钾（K2PtCl4）溶液，制得WO3（Pt）溶胶。 再在此溶液中加入适量正硅酸乙酯，室温下搅拌反应约2小时，制得WO3（Pt）- SiO2混合溶胶。 以这两种溶胶为涂覆液，在预先镀有SiO2过渡层（阻挡钠离子析出）的玻璃基片和硅片上提拉成膜。 将薄膜自然晾干或在120℃干燥后分别在150℃、250℃、350℃、450℃热处理0.5小时。 其中双氧水∶三氧化钨（摩尔比）=0.5，铂∶三氧化钨（摩尔百分比）=3.5，二氧化硅∶三氧化钨（摩尔比）=0.5。
2.2结构表征
XRD分析在日本RIGUKU D/MAX-1200型X-射线衍射仪上进行；IR分析在Bio-Rad Excalibur Series傅立叶红外光谱仪上进行，薄膜以硅片为衬底；采用PHILIPS XL-30 PEG型扫描电镜观察薄膜表面形貌。用于XRD和IR分析的薄膜样品均未掺铂。
2.3性能测试方法
将薄膜制成气致变色器件，器件结构的详细描述可参见文献2、3。通入氢气氩气混合气体，以相应的不通气的器件为参比样品，用752型紫外光栅分光光度计定时测量器件在630nm处的吸光度。 氢气流量采用30ml·s-1（实验表明，在此速率下反应不受外扩散影响），氢气浓度为4%。
本工作由中国科学院1998年度题为光电转换及功能材料“百人计划”项目资助。
3． 结果与讨论
3.1 XRD分析
图1 WO3、WO3-SiO2薄膜的XRD图
Fig.1 X-ray diffraction patterns for WO3 and WO3-SiO2 thin filims WO3 thin films:
(a)250℃ (e)350℃WO3-SiO2 thin films:(b) 350℃ (c)400℃ (d)450℃
对WO3、WO3-SiO2薄膜经不同温度热处理后，进行了x射线衍射分析，图1给出了相应的XRD图。图中(a)、（e）曲线表明，250℃热处理WO3薄膜样品是非晶态的，350℃热处理样品产生明显的晶化峰，由 Sherrer公式计算所得晶粒大小约为200nm左右。与标准粉末衍射卡相比，350℃热处理WO3薄膜衍射峰d值与三斜晶系WO3（JCPDS20-1323）最为吻合，晶体生长择优取向使部分峰线消失。对于复合薄膜，350℃热处理样品的衍射峰不明显（曲线b），450℃热处理样品(曲线d)的衍射峰缺失较多，峰形宽且低，说明薄膜晶化度低，晶粒细化，且存在晶格畸变。这些现象均是由于掺入SiO2产生的阻隔作用，使钨氧原子迁移距离增加造成的。与标准粉末衍射卡相比，450℃热处理复合薄膜的XRD峰d值与正交晶系WO3（JCPDS20-1324）更为接近。
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