Flammenunterstütztes Drucken zur Herstellung großer nanostrukturierter dünner Oxidschichten für elektrochrome Anwendungen

Einführung

FSP war ein Verfahren, bei dem Lösungsmittel mit der gelösten Metallvorstufe in Flüssigkeitströpfchen gesprüht wurde. Dann verbrennen die Tröpfchen in einer selbsterhaltenden Flamme, die mit Sauerstoff unterstützt wird, zu Pulvern [1,2,3,4,5]. Die Größe der hergestellten Pulver reicht von wenigen Nanometern bis zu Mikrometern. FSP kann leicht zur Herstellung von Oxid-Nanopulvern (z. B. SiO₂ , TiO₂ , CeO₂ und Al₂ O₃ ) im kommerziellen Maßstab [6,7,8,9]. Obwohl die Nanopulver aus dem FSP-Prozess entweder auf das Substrat getropft oder gegossen werden können, um die dünnen Filme zu bilden, sind diese Filme normalerweise dicht mit einer geringen Oberfläche und es fehlen Nanomerkmale. Für Anwendungen wie Sensoren, elektrochemische und photoelektrochemische (PEC) Geräte werden dünne Filme mit poröser Struktur bevorzugt [10,11,12]. Bei den obigen Anwendungen kann die poröse Struktur die Ausnutzung aktiver Materialien verbessern, die Kontaktfläche zwischen den Elektrolyten und Reaktanten vergrößern und die Belastung während der Lithiierung verringern. Somit kann ihre Leistung verbessert werden. Beispiel:LiMn₂ O₄ Filme wurden durch Flammspritzabscheidung und In-situ-Ausheilverfahren gebildet [13]. Der hochporöse Dünnfilm zeigte eine ausgezeichnete Zyklizität. Kunet al. synthetisiertes Li₄ Ti₅ O₁₂ Dünnschicht für die leistungsstarke und flexible All-Solid-State-Batterie [14]. Tricoli et al. [15] erweiterte die Verwendung von FSP für die Herstellung von EC/PEC-Wasserspalter WO₃ und BiVO₄ Elektroden. Sie fanden heraus, dass die Leistung direkt mit FSP hergestellter Photoelektroden im Vergleich zu Filmen, die mit Nanopulvern aus dem FSP-Prozess gegossen wurden, stark verbessert wurde. Diese bahnbrechenden Arbeiten ermöglichten den Einsatz von FSP als leistungsstarkes Werkzeug zur direkten und schnellen Herstellung von Funktionsfolien mit guter Leistung. Die Größe des Dünnfilms wurde jedoch durch das unbewegte Substrat begrenzt. Wismutoxid war aufgrund seiner hohen theoretischen Farbmodulation und Umweltfreundlichkeit eines der faszinierendsten elektrochromen Materialien [16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]. Als neue elektrochrome Materialien erwiesen sich beispielsweise durch Sputtern oder Vakuumverdampfung hergestellte Wismutoxid-Dünnschichten [16, 24]. Darüber hinaus zeigten dünne Wismutoxidfilme aus Sol-Gel-Prozessen eine stetige elektrochrome Effizienz [17]. Ihre elektrochrome Leistung sollte jedoch für die praktischen Anwendungen weiter verbessert werden. In dieser Studie schlugen wir einen flammunterstützten Druckprozess (FAP) auf der Grundlage von FSP vor, um poröse Bismutoxid-Dünnfilme auf fluordotiertem Zinnoxid (FTO) herzustellen. Die Größe des dünnen Films könnte 20 cm × 20 cm erreichen. Der in dieser Studie abgeschiedene Wismutoxid-Dünnfilm zeigte ausgezeichnete elektrochemische Eigenschaften mit einer Farbmodulation von 70,5%. Die hervorragende Leistung ist auf die poröse Struktur dünner Filme zurückzuführen.

Experimentell

Herstellung von Bismut-Oxid-Dünnschichten

Für die direkte Abscheidung von Bismutoxid-Dünnschichten auf FTO-Substraten wurde eine FAP-Ausrüstung verwendet (Abb. 1a). Die Dünnfilme wurden mit folgenden Schritten hergestellt:Bevor die Bismutoxid-Dünnfilme nach dem FAP-Verfahren hergestellt wurden, wurden 20 cm × 20 cm transparente leitfähige FTO-Glassubstrate mit einem Schichtwiderstand von 10 Ω/sq durch Ultraschall mit Aceton gereinigt, entionisiertes Wasser, Ethanol und entionisiertes Wasser nacheinander. Der Wismutoxid-Vorläufer wurde hergestellt, indem die Mischung aus Wismutcarbonat (1,45 g), 2-Ethylhexansäure (20 g) und entionisiertem Wasser (40 μl) unter mechanischem Rühren auf 160 °C erhitzt wurde. Vorläuferlösungen mit einer Gesamt-Bi-Atomkonzentration von 1 und 5 mM wurden durch Auflösen der Bismutoxid-Vorstufe in 2-2-4-Trimethylpentan (15 ml) hergestellt. Diese Lösung wurde mit einer Spritzenpumpe mit einer Geschwindigkeit von 2 ml/min zugeführt und mit 2,541 l/min Sauerstoff zu einem feinen Sprühnebel dispergiert, und während der Synthese wurde ein Druck von 0,21 bis 0,33 MPa über die Düsenspitze aufrechterhalten. Das Spray wurde durch eine unterstützende Flamme gezündet, die aus 0,4 l/min hochreinem Methan (99,9 %) und 0,4 l/min Sauerstoff bestand. Für die Abscheidung von Bismutoxid-Dünnschichten auf FTO-Substraten mit einer geeigneten Abscheidungstemperatur von 500 °C wurde ein Substrathalter in einem bestimmten Abstand unterhalb des Brenners verwendet. Der FAP-Prozess wurde 6 Minuten lang fortgesetzt. Genauer gesagt wurden Filme auf den FTO-Substraten abgeschieden, die auf einem beweglichen Tisch platziert wurden. Am Ende wurden Dünnschichtproben mit einer Geschwindigkeit von 5 °C/min von Raumtemperatur auf 550 °C an Luft 2 h lang getempert.

Schema der flammunterstützten Druckvorrichtung (a ) und verarbeiten (b ), um einen großen Dünnfilm auf dem Substrat abzuscheiden. c Optische Bilder des abgeschiedenen Flecks und der Linie durch das FAP-Verfahren

Vorbereitung von Wolframoxid-Dünnschichten

Die Vorläuferlösung wurde durch Zugabe von Wolframhexachlorid (29,742 mg) zu wasserfreiem Ethanol (30 ml) hergestellt. Die gebildete Mischung wurde 1 h bei Raumtemperatur gerührt. Die Substrattemperatur wurde während der Abscheidung im Bereich von 400–500 °C kontrolliert.

Charakterisierungsmethoden

Die Phasenzusammensetzung der Bismutoxid-Dünnschichten wurde durch Röntgenbeugung (Bruker XRD, D8 Advance) unter Verwendung von CuKα-Strahlung (40 kV/30 mA) analysiert. Die Oberflächenmorphologien der Dünnschichten wurden mit einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) mit einem Ultra 55 bei 10 keV untersucht. Rauheitsmessungen wurden mit einem Profilometer (Bruker Contour, GT K 3D) mit einem Cut-Off-Wert von 0,23 mm durchgeführt. Zur Bestimmung der Rauheit Ra wurden drei unterschiedliche Bereiche in Prüfkörpern ausgewertet. Das EC-Verhalten von Bismutoxid-Dünnfilmen wurde mit einer standardmäßigen elektrochemischen Drei-Elektroden-Zelle unter Verwendung der elektrochemischen Workstation AutoLab 302N bewertet. Als Arbeitselektrode diente das mit Wismutoxid dünnschichtbeschichtete FTO-Glas, als Gegenelektrode bzw. Referenzelektrode dienten Platinblech und Ag/AgCl-Elektrode. 1 M Lösung von LiClO₄ Als Elektrolyt wurde in Propylencarbonat (PC) gelöst verwendet. Zyklische Voltammetrie (CV) wurde mit einer Abtastrate von 2 mV/s oder 5 mV/s und einem Spannungsbereich von  − 2 bis 2 V und - 1 bis 1 V für Wismutoxid-Dünnschichten und Wolframoxid-Dünnschichten durchgeführt. bzw. Die optische Transmissionsänderung der Bismutoxid- und Wolframoxid-Dünnschichten während des Lade- und Entladevorgangs beim CV-Zyklen wurde in situ mit einem Miniaturspektrometer (Ocean optics, FLMT01617) bei einer festen Wellenlänge von λ = 550 nm.

Ergebnisse und Diskussion

Das FAP-Gerät und der Prozess sind in Fig. 1a, b veranschaulicht. Während des FAP-Prozesses entsteht eine poröse Struktur unter Bildung von Nanopartikeln, Primärpartikeln und großen Partikeln [28]. Das Wachstum von Nanopartikeln und Primärpartikeln ergibt eine mehrstufige Struktur, während Primärpartikelkollision und große Partikeltrennung die poröse Struktur erzeugen [29]. Es gibt viele Faktoren wie die Vorläuferkonzentration, die einen Einfluss auf die endgültige Partikelmorphologie, -struktur und -leistung haben. Zur Abscheidung von Bismutoxid-Dünnschichten wurden Precursorlösungen mit Konzentrationen von 1 und 5 mM mit einer Geschwindigkeit von 2 ml/min in die Düse gepumpt und in die Tröpfchen gesprüht. Sie wurden dann zu den Oxid-Nanoclustern verbrannt. Die gebildeten Nanocluster kollidierten, um Nanopartikel zu bilden, und lagerten sich auf dem FTO-Substrat ab, das sich auf der beweglichen Bühne befand. Es wurde von den Servomotoren präzise gesteuert. Als Ergebnis fegte die Flamme mit einer Geschwindigkeit von 2 mm/s Zeile für Zeile über das Substrat. Der Abstand zwischen den benachbarten Linien wurde auf 0,1 mm eingestellt, wie in Abb. 1b angegeben. Die Dicke des Films wurde durch die Vorläuferkonzentration und die Wiederholungszeit gesteuert. Dieser zeilenweise Auftragungsprozess war analog zu einem Papierdruckprozess. Daher haben wir dieses Verfahren als flammunterstütztes Drucken bezeichnet. Der FAP-Prozess wurde auch verwendet, um einen Fleck abzuscheiden, wenn kein Scannen durchgeführt wurde, und eine Linie mit dem Scanprozess aus 5 mM Wismutoxid-Vorläufer. Die optischen Bilder des abgeschiedenen Flecks und der abgeschiedenen Linie sind in Fig. 1c gezeigt. Die Größe des Flecks und die Breite der Linie betrugen ~ 2 cm. Somit kann der FAP-Prozess möglicherweise eine beliebige 2D-Form drucken, obwohl die Auflösung der Form auf 2 cm beschränkt ist. Nach der Abscheidung wurde der erhaltene Dünnfilm 2 h bei 550 °C getempert. Röntgenbeugungsmuster (XRD) in Abb. 2 zeigten ihre Kristall- und Phasenstrukturen. Vor dem Tempern gab es für Bi₂ . nur die α-Phase (JCPD-Karte Nr. 71-0465). O₃ . Nach dem Glühen bei 550 °C gab es zwei neue Phasen. Sie waren δ-Bi₂ O₃ Phase (JCPD-Karte Nr. 76-2478) und nicht-stöchiometrische Bi₂ O_2.33 Phase (JCPD-Karte Nr. 27-0051). Letzteres stand im Zusammenhang mit der Sauerstoffleerstelle aufgrund des Glühens in der stehenden Luft [30]. Der obige Phasenübergang war konsistent mit den vorherigen Studien [17]. Die Morphologie des erhaltenen Bismutoxid-Dünnfilms aus einem 5 mM-Vorläufer wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Wie in Abb. 3a, b gezeigt, wies die gesamte Struktur eine makroporöse Struktur mit Sekundärpartikeln von mehreren hundert Nanometern auf. Zum Vergleich wurde auch ein dünner Film aus 1 mM Vorläufer abgeschieden. Es stellte sich heraus, dass es sich um einen festen Film handelte, bei dem sich die Sekundärpartikel 1 μm näherten, wie in Abb. 3c, d gezeigt. Der Unterschied in den Konzentrationen der Vorläuferlösung verursachte offenbar die Veränderung der Morphologie. Und gemäß der großräumigen Charakterisierung mit einem Profilometer ist der mittlere Ra-Wert des Bi₂ O₃ Dünnfilm aus 5 mM Vorläufer wurde mit 29 ± 2 nm gemessen (Abb. 3e), was mit SEM-Analysen übereinstimmte. Bei hoher Konzentration kollidierten die Partikel leicht miteinander und dann lagerten sich verzweigte Sekundärpartikel auf den Substraten ab. Bei niedriger Konzentration war das Primärteilchen klein genug, um die Lücken zwischen den abgeschiedenen Teilchen zu füllen. Die Morphologie des dünnen Films erschien weniger porös. Somit können die Morphologie und Porenstruktur des Dünnfilms mit der Konzentration des Precursors im FAP-Prozess angepasst werden. Darüber hinaus wurden weitere Untersuchungen zum Einfluss der Abscheidungszeit auf die Schichtdicke durchgeführt. REM-Bilder der Querschnitte der Filme für Abscheidungszeiten von 6 min, 12 min und 24 min sind in Abb. 4 gezeigt. Ihre Dicken nahmen mit der Zeit zu. Somit könnte der FAP-Prozess auch die Dicke des Films durch Variieren der Abscheidungszeit steuern.

Röntgenbeugungsmuster des FTO-Substrats (unten), des abgeschiedenen Wismutoxid-Dünnfilms (Mitte) und des Dünnfilms (oben) nach der Wärmebehandlung bei 550 °C

Morphologische Charakterisierung der Bismutoxid-Dünnschichten. REM-Bilder (a , b ) eines Bismutoxid-Dünnfilms auf den FTO-Substraten aus einer 5 mM-Lösung. REM-Bilder (c , d ) des Bismutoxid-Dünnfilms aus 1 mM Lösung mit Wärmebehandlung bei 550 °C. Und e Rauheitsprofil eines Bismutoxid-Dünnfilms aus einer 5 mM-Lösung

SEM-Bilder von Querschnitten der Dünnschichten entsprechend den Abscheidungszeiten von a 6 Minuten, b 12 Minuten und c 24 Minuten und Tag die Beziehung zwischen der Dicke der Dünnschichten und den Abscheidungszeiten

Die elektrochrome Eigenschaft des Bismutoxid-Dünnfilms aus dem 5 mM-Vorläufer wurde weiter untersucht. Die Farbe des dünnen Films änderte sich von hellgelb im gebleichten Zustand zu schwarz im gefärbten Zustand, wie in seinem optischen Bild gezeigt (Abb. 5a, Einschub). Die optischen Spektren zeigten ferner, dass die Transmission im gebleichten Zustand in einem Bereich von 75–100 % lag, während im gefärbten Zustand die Transmission des dünnen Films in einem Bereich von 10–30 % lag. Die CV-Kurve (Abb. 5b) zeigte, dass es einen kathodischen Peak bei − 1,3 V und zwei anodische Peaks bei 0,1 V und 1,2 V gab, die typisch für die Lithium-Interkalation von Lithiumionen in die Wismutoxid-Struktur unter Bildung von Li_x Bi₂ O₃ während des Ladens gefolgt von einer reversiblen Deinterkalation von Li_x Bi₂ O₃ zurück zu Bi₂ O₃ beim Entladen, aufgrund des Bi₂ O₃ /Li_x Bi₂ O₃ redox Reaktion. Es entsprach folgender Reaktion [16]:

a Optische Spektren im gebleichten und gefärbten Zustand, b zyklische Voltammogramme, c zeitabhängige Lichtdurchlässigkeit bei 550 nm und d Färbeeffizienz des mit einer 5 mM-Lösung abgeschiedenen Bismutoxid-Dünnfilms

Die stabilen Redox-Paar-Reaktionen von Bismutoxid bewirken, dass die Elektrode mit guter Reversibilität arbeitet und eine gute Stabilität zeigt, indem Form, Größe und Position ihrer anodischen und kathodischen Peaks kaum verändert werden. Die scharfen und gut definierten Peaks weisen auf eine schnelle De- und Insertion von Ionen hin. Die CVs in Abb. 5b von Bismutoxid-Dünnschichtelektroden zeigen das charakteristische Verhalten der zweistufigen Extraktion (Peaks bei 0,1 V und 1,2 V) und Insertion (Peak bei − 1,3 V) der Lithiumionen in der Abscheidung mit einheitlicher Körnung Größe, die auf eine erfolgreiche Filmbildung und Verdichtung hinweist. Alle Elektroden zeigen nach erfolgreicher Filmherstellung eine Einheitlichkeit in der Partikelgröße. Es zeigt, dass die Qualität der Oberfläche nach der Wärmebehandlung eine homogene Stapelung poröser Schichten ermöglicht. Die Zyklen-Langzeitstabilität dieser Bismutoxid-Dünnschichtelektrode ist jedoch aufgrund der schlechten Haftung auf dem FTO-Substrat nicht so gut wie erwartet. Die Verbesserung dieser Zyklenstabilität durch Anpassung der Precursor-Konzentration und der Annealing-Temperatur bleibt unsere zukünftige Arbeit.

Die zeitabhängige optische Transmission der Bismutoxid-Dünnschichten wurde während der CV-Messung in situ aufgezeichnet, wie in Abb. 5c gezeigt. Die Transmissionswellenlänge wurde auf 550 nm eingestellt, was für das menschliche Auge sehr empfindlich war [31]. Nach dem ersten Zyklus betrugen die maximale und minimale Transmission 80,7 % bzw. 10,2 %. Sowohl die Transmissionswerte im gebleichten Zustand als auch im gefärbten Zustand wurden stabil gehalten. Die minimale Transmission im gefärbten Zustand und die maximale Transmission im gebleichten Zustand wurden als T . aufgezeichnet _c und T _b , bzw. Dann optischer Kontrast ΔT _{λ =550 nm} wurde als ΔT . definiert = T _b − T _c . Es ist offensichtlich, dass der Bismutoxid-Dünnfilm einen großen optischen Kontrast von über 70 % aufwies. Die Dünnfilme wiesen während des 2., 3. und 4. Zyklus eine leichte optische Verschlechterung auf. Der Unterschied zwischen farbigen und gebleichten Zuständen ist zu sehen. Dies wird hauptsächlich durch den Abbau bei der Reaktion verursacht [17, 32] und die poröse Struktur führt zu einer unvollständigen Reaktion [33]. Hier, EC-Reaktionszeit, T_0,5 , ist definiert als der Zeitpunkt, zu dem die optische Transmission 50 % des Färbungs-/Bleichzustands bei der Wellenlänge von 550 nm erreicht. Wie in den Abb. 5c und 6b, T _0.5 = 120 s für einen aus 5 mM Vorläuferlösung abgeschiedenen Bismutoxid-Dünnfilm und T _0.5 = 300 s für einen aus 1 mM Vorläuferlösung abgeschiedenen Bismutoxid-Dünnfilm. Die schnellere Bleichrate könnte seiner porösen Nanostruktur zugeschrieben werden, die im FAP-Prozess gebildet wurde. Herkömmlicherweise ist die Färbeeffizienz η (CE) wird verwendet, um die EC-Leistung mit der folgenden Formel [17] zu beurteilen:

$$\eta \left( {{\text{CE}}} \right) =\frac{{\Delta {\text{OD}}}}{Q} =\frac{{\log \left( {T_ {{\text{b}}} /T_{{\text{c}}} } \right)}}{Q}$$ (2)

wo T _b und T _c sind die gebleichten und gefärbten Transmissionswerte bei einer gegebenen Wellenlänge wie oben erwähnt, ΔOD ist der Unterschied zwischen optischer Dichte und Q ist die entsprechende eingefügte/extrahierte Ladungsdichte. In dieser Arbeit werden Ladungsdichten aus den CV-Kurven berechnet. Die CEs der Wismutoxid-Dünnschicht waren alle größer als 10,0 cm ² /C wie in Abb. 5d gezeigt. Die CEs des Wismutoxid-Dünnfilms aus einer 5 mM-Vorstufe waren fast die gleichen wie die des Sol-Gel-abgeleiteten Dünnfilms [17] und viel höher als der von 3,7 cm ² /C berichtet in Lit. [16]. Was den aus 1 mM Vorläuferlösung abgeschiedenen Bismutoxid-Dünnfilm betrifft, waren die anodischen und kathodischen Peaks verbreitert, wie in Fig. 6a gezeigt. Eine signifikante Peakverbreiterung bei der anodischen Färbung wurde normalerweise beobachtet, wenn die Konzentration der Vorläuferlösung weit unter 5 mM lag. Dies kann durch die niedrigere Konzentration erklärt werden, die aufgrund der weniger porösen Struktur zu weniger Fest/Fest-Grenzflächen zum Verbundfilm führte [34]. In der Zwischenzeit betrug der optische Kontrast nur 30–40 % (Abb. 6b) und der CE 2,7–3,4 cm ² /C. Verglichen mit dem Dünnfilm aus 5 mM Vorläuferlösung könnte die schlechtere Leistung auf die relativ feste Beschaffenheit des Dünnfilms zurückgeführt werden. Bei der elektrochemischen Reaktion hatte der Elektrolyt weniger Kontaktfläche mit dem Aktivmaterial. Somit nahm weniger aktives Material an der Reaktion teil. Darüber hinaus war der Abbau während des nachfolgenden Zyklus aufgrund der Instabilität der Struktur offensichtlich, die durch die Volumenänderung des Dünnfilms in der Reaktion verursacht wurde, während die poröse Struktur im Dünnfilm aus einer 5 mM-Lösung eine solche Änderung aufnehmen konnte.

Lebenslauf (a ) und zeitabhängiger Transmissionsgrad (b ) von Wismutoxid-Dünnfilm, abgeschieden aus 1 mM Lösung nach Wärmebehandlung bei 550 °C

Wenn die FAP-Ausrüstung wie erwähnt auf die Synthese anderer Oxide wie Wolframoxid erweitert wird, zeigte das SEM-Bild (Abb. 7a) die Mikrostruktur des abgeschiedenen Wolframoxid-Dünnfilms, während die Vorläuferkonzentration 2,5 mM beträgt. Es hatte Sekundärpartikel, die viele kugelförmige Primärpartikel aggregierten, die die Blumenkohlstruktur bilden. Genauer gesagt scheint es, dass Sekundärpartikel größer und weniger porös sind als der Bismutoxid-Dünnfilm aus einem 5 mM-Vorläufer. Es gibt anodische und kathodische Peaks bei 0,1 und − 0,5 V, was typisch für die Lithium-Deinterkalation und -Interkalation ist (Abb. 7b). Färbung/Bleiche in WO₃ Dünnfilme ist auf die Einfügung und Extraktion von Lithiumionen zurückzuführen, die der folgenden Reaktion folgen [35]:

$${\text{WO}}_{3} + x{\text{Li}}^{ + } + x{\text{e}}^{ - } \leftrightarrow {\text{Li}}_{ x} {\text{W}}^{6 + }_{(1 - x)} {\text{W}}^{5 + }_{x} \,{\text{O}}_{{ 3}}$$ (3)

a SEM-Bild, b Zyklisches Voltammogramm und c zeitabhängige Lichtdurchlässigkeit des Wolframoxid-Dünnfilms bei 550 nm

In WO₃ dünner Film, die eingefügten Elektronen reduzieren etwas W ⁶⁺ Ionen zu W ⁵⁺ und polarisieren ihr umgebendes Gitter, um kleine Polaronen zu bilden, die die optische Absorption bewirken. In einem dünnen Wismutoxidfilm kann die Färbung/Bleiche dem gleichen Mechanismus folgen. Die instabilen chromatischen Eigenschaften können jedoch durch den Spannungsaufbau aufgrund von Volumenänderungen oder Auflösung von Li_{x . verursacht werden} Bi₂ O₃ im Elektrolyten während der Reaktion. Die Ablösung der Wismutoxid-Dünnschicht von FTO-Substraten wurde oft nach mehreren Färbe-/Bleichzyklen festgestellt. Der gebleichte und gefärbte Zustand blieben in 4 Zyklen stabil (Abb. 7c). Die chromatische Eigenschaft von Wolframoxid ist stabiler als die von Wismutoxid [16, 17, 35, 36, 37, 38, 39]. Der optische Kontrast lag bei rund 35 %. Er war relativ niedrig, aber nicht niedriger als der aus einem 1 mM-Vorläufer abgeschiedene Bismutoxid-Dünnfilm. Um einen höheren Wert zu erhalten, sollte die Dicke des Wolframoxid-Dünnfilms erhöht werden. Die erste Färbeeffizienz von Wolframoxid betrug 3,4 cm ² . /C, das fast den angegebenen Daten entsprach [16] und zwischen den Bismutoxid-Dünnfilmen aus 1 und 5 mM Vorläufer. Magnetsputtern, gepulste Laserabscheidung und chemische Gasphasenabscheidung sind mehrere beliebte Beschichtungsverfahren. Mit ihnen lassen sich hochwertige Dünnschichten mit einer Dickengenauigkeit von mehreren Nanometern herstellen. Aufgrund der Größenbeschränkung der Abscheidungskammer sind jedoch alle von ihnen schwierig großflächige Dünnschichten herzustellen. Während mit dem FAP-Verfahren große Proben leicht vorbereitet werden können, kann es in der offenen Atmosphäre betrieben werden. Obwohl der Prozess die Dicke nicht sehr genau steuern kann, kann er die Morphologie des Dünnfilms für die spezifischen Anwendungen anpassen. Das obige Ergebnis zeigte, dass FAP die Nanostruktur des abgeschiedenen Films durch die Konzentration des Vorläufers abstimmen konnte, was seine elektrochrome Leistung weiter beeinflusste.

Schlussfolgerung und Ausblick

Durch einen FAP-Prozess wurden erfolgreich großflächige Bismutoxid-Dünnfilme hergestellt. Die Morphologie der Dünnschichten konnte mit den Abscheidungsparametern wie der Konzentration der Vorläuferlösung abgestimmt werden. Das Wismutoxid mit poröser Nanostruktur wies ausgezeichnete elektrochrome Eigenschaften mit einem maximalen optischen Kontrast von 70,5% und einer Färbeeffizienz von über 10,0 cm ² . auf /C. Dieser FAP-Prozess kann auf die Synthese anderer poröser nanostrukturierter Materialien für Anwendungen in der Energiespeicherung und -umwandlung ausgeweitet werden.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Abkürzungen

FSP:

Flammsprühpyrolyse

FAP:

Flammunterstützter Druck

EC:

Elektrochrom

PEC:

Photoelektrochemisch

FTO:

Fluordotiertes Zinnoxid

FESEM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop

PC:

Propylencarbonat

XRD:

Röntgenbeugung

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

CE:

Färbeeffizienz