Elektrochrome (EC) materialen, een van de belangrijkste "groene" technologische componenten voor duurzaamheid en energiebesparing, hebben de interesse gewekt van zowel de academische wereld als de industrie. Wolfraamoxide (WO ₃ ) is een uitgebreid onderzocht EC-materiaal dat veel wordt gebruikt in de slimme ramen van vandaag. Een populaire EC-benadering is het omkeerbaar inbrengen van kleine ionen in elektrodematerialen. Dunne films van WO ₃ kunnen daarom hun kleur veranderen van helder naar diepblauw door lithiumion (Li ⁺ ) invoeging onder een laagspanningsbias. Aangezien laagspanningsbewerkingen gunstig zijn voor een groot aantal toepassingen, Li ⁺ geïntercaleerde WO ₃ (Li _x WO ₃ ) is een haalbare optie voor EC-apparaattoepassingen.

Echter, Li ⁺ inserties zijn niet altijd omkeerbaar. Na een aantal cycli, deze ionen aggregeren in de film en eroderen het elektrochrome effect. Dit, beurtelings, beïnvloedt optische modulatie en duurzaamheid op lange termijn, beide zijn essentieel voor de praktische inzet van EC-apparaten. De inserties resulteren in omkeerbare Li ⁺ , onomkeerbare Li ₂ WO ₄ vorming, en onomkeerbare Li ⁺ vangen. De "onomkeerbare vorming van Li ₂ WO ₄ "degradeert elektrochromisme, en de Li ⁺ 'gevangen' op diepe plaatsen maakt de ionen onbeweeglijk, resulterend in onomkeerbaarheid. In essentie, het evalueren van de implicaties van beide soorten onomkeerbaarheid is van cruciaal belang.

In een recente studie gepubliceerd in Toegepaste oppervlaktewetenschap , wetenschappers van de Tokyo University of Science en het National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, samengewerkt om de onomkeerbaarheid van Li . kwantitatief te beoordelen _x WO ₃ dunne films. Het bespreken van de belangrijkste zorgen die in het onderzoek aan de orde komen, Universitair hoofddocent Tohru Higuchi van de Tokyo University of Science, die de studie leidde, merkt op:"Er zijn twee kritische vragen die rijzen:ten eerste, is onomkeerbaar Li ₂ WO ₄ formatie anders dan onomkeerbaar Li ⁺ vangen? Tweede, kunnen deze onomkeerbare componenten naast elkaar bestaan?" Hij voegt eraan toe:"Conventionele maatregelen zijn niet in staat om onderscheid te maken tussen de twee onomkeerbare componenten. we hebben een kwantitatief onderzoek uitgevoerd om solide antwoorden op deze vragen te bieden."

De wetenschappers bedachten een kwantitatieve evaluatiemethode die in situ harde röntgenfoto-elektronspectroscopie (HAXPES) en elektrochemische metingen combineert. HAXPES wordt gebruikt om begraven interfaces te onderzoeken, terwijl elektrochemische tests worden gebruikt om corrosie-eigenschappen te onderzoeken. De intercalatie van Li ⁺ resulteert in een redoxreactie die de oxidatietoestand van wolfraam (W) -ionen verandert van W ⁶⁺ slepen ⁵⁺ . Op basis van deze wijziging HAXPES kan evalueren "omkeerbare Li ⁺ " en "onomkeerbare Li ⁺ vangen." Echter, evalueren van "onomkeerbare Li ₂ WO ₄ vorming" met HAXPES is een uitdaging. Dr. Takashi Tsuchiya, een hoofdonderzoeker bij NIMS en co-auteur van de studie, legt uit waarom:"W ionen in Li ₂ WO ₄ hebben een stabiele oxidatietoestand omdat ze bestaan ​​in de W ⁶⁺ formulier. Als resultaat, HAXPES kan de onomkeerbaarheid veroorzaakt door Li . niet evalueren ₂ WO ₄ vorming. Elektrochemische metingen, Integendeel, kan 'omkeerbaar Li+' onderscheiden van de twee onomkeerbare componenten. Daarom, de integratie van beide methoden maakt het onderscheid en de kwantitatieve evaluatie van alle drie de componenten mogelijk."

Om de elektrochemische metingen uit te voeren, de wetenschappers bouwden een Li _x WO ₃ -gebaseerde redox-transistor op het platte oppervlak van een lithium-ion geleidend glaskeramiek (LICGC). Ze bouwden ook een elektrochemische cel met een WO ₃ dunne film als halfgeleider en een LICGC-substraat als elektrolyt om HAXPES-metingen uit te voeren. Verder, ze gebruikten in situ Raman-spectroscopie om de invloed van Li . te beoordelen ⁺ inbrengen op de Li _x WO ₃ structuur. Ze waren in staat om met succes de toename van de kristalliniteit te bepalen die werd veroorzaakt door Li ⁺ invoeging. De verhoudingen van omkeerbare Li ⁺ , onomkeerbare Li ₂ WO ₄ vorming, en onomkeerbare Li ⁺ vangst werden berekend op 41,4%, 50,9%, en 7,7%, respectievelijk.

De wetenschappers zijn van mening dat hun studie zal helpen bij het ontwikkelen en ontwerpen van verbeterde EC-materialen en apparaten. "Voor meerdere jaren, de belangrijkste stimulans voor EG-onderzoek en -ontwikkeling zijn potentiële toepassingen in energie-efficiënte gebouwen en vliegtuigen. Echter, er zijn ook verschillende andere toepassingen, zoals de energiebesparende en zichtvriendelijke elektronische papieren displays, " zegt Dr. Kazuya Terabe, hoofdonderzoeker van het International Center for Materials Nanoarchitectonics bij NIMS en een co-auteur van de studie, "Bovendien, onze bevindingen verbreden de toepassingsmogelijkheden door de basis te leggen voor de toekomstige ontwikkeling van hoogwaardige WO ₃ -gebaseerde EC-apparaten."