光致變色是輻射變色中的一種形式，它是通過紫外光輻射，使三氧化鎢產生著色，著色態在停止UV輻射，氧化環境下會逐漸退色的可逆過程。影響三氧化鎢薄膜的光致變色行為因素很多，如薄膜的密度、厚度，輻照UV的波長和頻率以及在變色過程中周圍的環境氣氛等等。
基本介紹
- 中文名：氧化鎢光致變色薄膜
- 外文名：Tungsten Oxide Photochromic Thin Film
定義,研究現狀,影響因素,套用,
定義
在外界激發源的作用下，一種物質或一個體系發生顏色明顯變化的現象稱為變色性。光致變色是指一種化合物A受到一定波長的光照射時，可發生光化學反應得到產物B，A和B的顏色（即對光的吸收）明顯不同。B在另外一束光的照射下或經加熱又可恢復到原來的形式A。光致變色是一種可逆的化學反應，這是一個重要的判斷標準。在光作用下發生的不可逆反應，也可導致顏色的變化，只屬於一般的光化學範疇，而不屬於光致變色範疇。
三氧化鎢薄膜光致變色是與光激發產生的電子-空穴對緊密相連的，而電子-空穴可以將三氧化鎢中的水分解成相當可觀的數量。形成的質子和亞穩態的氧基，若新生的氧基被及時捕獲，如氧空位，就避免這個反應的反向過程，增加介穩態的質子和電子的產生，而這些是形成色心的基礎。質子和光激發的電子最終導致了有色的鎢青銅型結構，氧占據了三氧化鎢內的空位位置，或以分子的形式逃逸到周圍的空氣中。由於三氧化鎢薄膜高的帶隙3.25eV，限定了光激發產生電子、空穴對和隨後的變色過程在近紫外區域。
研究現狀
氧化鎢是一種良好的光致變色材料，從1973年首次報導了無定型氧化鎢膜的光致變色現象便受到了廣泛的關注和研究。1980年Gerard等在前人的基礎上首先以真空蒸鍍法，通過改變真空度製備了HXWO3-Y膜。後來又改用濺射法，在Ar-O2(製備純的亞化學計量膜)，Ar-O2-H2和Ar-O2-H2O(改變WO3氫氧組成)三種同反應氣氛下濺射。製備了HXWO3-Y膜。但是由於真空蒸鍍法和濺射法的設備昂貴，工藝複雜，且無法製備複雜分子結構膜和有序膜，難以控制膜厚和粒徑，更重要的是它們都不易於大面積生產很難被廣泛套用。後來又發明了許多方法用於製備氧化鎢，如電子束蒸發沉澱法、電沉積法、噴霧熱解法、溶膠-凝膠法等。其中溶膠-凝膠法因具有可製備不同晶型、不同緻密程度材料，易控制產物的組成和粒徑，易於大面積生產均勻薄膜等優點，而被大多的研究者採用並且繼續發展。
影響因素
影響氧化鎢光致變色的因素很多，除了本身的結構和組成因素外，所處的氣氛也將影響其變色性能。從氧化鎢的內部結構來看，氧化鎢的結構有很多種。從比較穩定的三斜、單斜到立方、四方很不穩定的六方青銅、焦綠石相，但是研究最多的是無定型（a-WO3）或多晶（c-WO3）膜的光致變色性能。經過研究發現a-WO3較c-WO3有很好的光致變色性能，主要是因為c-WO3具有晶格缺陷或者比表面積小等。上述所說的內因是決定物質性質的主要原因，而外因對與氧化鎢光致變色的影響也不容小覷，尤其是不同氣氛對其的影響。從著色角度上看，一些含氫或羥基的有機物蒸氣有利與提高氧化鎢的變色反應速度和吸收強度。對於脫色方面受到氧化性氣體的影響較大，如O3、H2O2和FE2(SO4)3等。這些影響因素對提高氧化鎢光致變色的效能有很大的幫助，也有利於製作性能更加良好的光致變色材料。
套用
光學記錄和圖像存儲
利用光致變色化合物受不同強度和波長光照射時可反覆循環變色的特點，可以將其製成計算機的記憶存儲元件，實現信息的記憶與消除過程。其記錄信息的密度非常大，而且抗疲勞性能好，能快速寫入和擦除信息。非晶態的 WO3在被 KrF 受激準分子雷射器產生的波長為 248 nm 的雷射照射下會變成紫色，再被Nd-Y-Al 石榴石雷射器產生的波長為 1.06 μm 的雷射照射又可以變成無色。研究還發現，利用 WO3在退火過程中光學特性發生變化的特性製作的一次性寫入式光學記錄盤，其數據最大存儲密度可達 25 GB。此外 WO3在紫外光照射下變藍的光敏特性可用於自顯影全息記錄照相。在透明膠片上塗上一層很薄的WO3薄膜，其對可見光不感光，在紫外光的照射下變成有色影像。這種成像方法解析度高，不會發生操作誤差，而且影像可以反覆錄製和消除。
利用光致變色化合物受不同強度和波長光照射時可反覆循環變色的特點，可以將其製成計算機的記憶存儲元件，實現信息的記憶與消除過程。其記錄信息的密度非常大，而且抗疲勞性能好，能快速寫入和擦除信息。非晶態的 WO3在被 KrF 受激準分子雷射器產生的波長為 248 nm 的雷射照射下會變成紫色，再被Nd-Y-Al 石榴石雷射器產生的波長為 1.06 μm 的雷射照射又可以變成無色。研究還發現，利用 WO3在退火過程中光學特性發生變化的特性製作的一次性寫入式光學記錄盤，其數據最大存儲密度可達 25 GB。此外 WO3在紫外光照射下變藍的光敏特性可用於自顯影全息記錄照相。在透明膠片上塗上一層很薄的WO3薄膜，其對可見光不感光，在紫外光的照射下變成有色影像。這種成像方法解析度高，不會發生操作誤差，而且影像可以反覆錄製和消除。
光學禁頻寬度可調的光子晶體
光子晶體是介電常數在空間呈周期性排列形成的人工結構。與普通晶體一樣，光子晶體的周期排列具有能帶結構，光子能帶之間可能存在光子帶隙或光子禁帶。光子帶隙或禁帶是指一個頻率範圍，在這個頻率範圍里的電磁波不能在這個光子晶體裡傳播，而頻率位於能帶里的電磁波則能在光子晶體裡幾乎無損地傳播。帶隙的寬度和位置與光子晶體的介電常數比值有關係。WO3在光的照射下或電場的作用下其介電常數可以大範圍連續改變，因此用氧化鎢在聚苯乙烯模板上製作的反蛋白石結構的光子晶體可以更加有效的調控光路。
光子晶體是介電常數在空間呈周期性排列形成的人工結構。與普通晶體一樣，光子晶體的周期排列具有能帶結構，光子能帶之間可能存在光子帶隙或光子禁帶。光子帶隙或禁帶是指一個頻率範圍，在這個頻率範圍里的電磁波不能在這個光子晶體裡傳播，而頻率位於能帶里的電磁波則能在光子晶體裡幾乎無損地傳播。帶隙的寬度和位置與光子晶體的介電常數比值有關係。WO3在光的照射下或電場的作用下其介電常數可以大範圍連續改變，因此用氧化鎢在聚苯乙烯模板上製作的反蛋白石結構的光子晶體可以更加有效的調控光路。
染料敏化太陽能電池
染料敏化太陽能電池(DSSC)是指以染料敏化多孔納米結構薄膜為光陽極，根據光生伏特原理，將太陽能直接轉換成電能的一種半導體光電器件。光電轉換效率和作為光陽極薄膜的禁頻寬度有很大關係，一般選取禁頻寬度為 3.2 eV 的 TiO2作為光陽極薄膜。WO3具有跟 TiO2類似的能帶結構，只是其禁頻寬度相對較小，但是染料敏化氧化鎢太陽能電池產生的電能足以驅動利用氧化鎢電致變色薄膜變色特性製作的智慧型窗、顯示器等電致變色裝置。而且這樣同時利用氧化鎢的光致變色-電致變色特性的裝置在結構上相對簡單，綠色環保。
染料敏化太陽能電池(DSSC)是指以染料敏化多孔納米結構薄膜為光陽極，根據光生伏特原理，將太陽能直接轉換成電能的一種半導體光電器件。光電轉換效率和作為光陽極薄膜的禁頻寬度有很大關係，一般選取禁頻寬度為 3.2 eV 的 TiO2作為光陽極薄膜。WO3具有跟 TiO2類似的能帶結構，只是其禁頻寬度相對較小，但是染料敏化氧化鎢太陽能電池產生的電能足以驅動利用氧化鎢電致變色薄膜變色特性製作的智慧型窗、顯示器等電致變色裝置。而且這樣同時利用氧化鎢的光致變色-電致變色特性的裝置在結構上相對簡單，綠色環保。
