Flammenunterstütztes Drucken ermöglicht großflächige nanostrukturierte Oxid-Dünnschichten für elektrochrome Geräte

Zusammenfassung

Die Flammensprühpyrolyse ist ein Verfahren zur Herstellung von Oxid-Nanopartikeln in einer sich selbst tragenden Flamme. Werden die erzeugten Nanopartikel auf einem Substrat abgeschieden, lassen sich nanostrukturierte Oxid-Dünnschichten erhalten. Die Größe der Dünnschicht war jedoch meist durch das feste Substrat begrenzt. Hier zeigen wir, dass sich Dünnschichten mit großer Fläche durch ein bewegtes Substrat ablagern lassen, das präzise durch Servomotoren gesteuert wird. Dadurch kann die Flammenspitze zeilenweise über das Substrat scannen und die Nanopartikel darauf ablagern – analog zu einem Druckprozess, den wir als flammenunterstütztes Drucken (FAP) bezeichnen. Als Beispiel wurden nanostrukturierte Bismutoxid-Dünnschichten mit einer Größe von bis zu 20 cm × 20 cm im FAP-Verfahren hergestellt. Die Bismutoxid-Dünnschicht wies stabile elektrochrome Eigenschaften mit einer hohen Modulation von 70,5 % auf. Die hervorragende Leistung lässt sich auf die poröse Nanostruktur zurückführen, die im FAP-Prozess entsteht. Das Verfahren lässt sich auf die Abscheidung weiterer verschiedener Oxide (z. B. Wolframoxid) mit großer Fläche für vielseitige Anwendungen übertragen.

Einleitung

Bei der Flammensprühpyrolyse (FSP) wird eine Lösung mit gelöstem Metallvorläufer in Flüssigkeitströpfchen versprüht. Diese Tröpfchen verbrennen in einer sich selbst tragenden, mit Sauerstoff unterstützten Flamme zu Pulver [1–5]. Die Teilchengröße der entstehenden Pulver reicht von wenigen Nanometern bis in den Mikrometerbereich. FSP lässt sich leicht zur kommerziellen Herstellung von Oxid-Nanopulvern (z. B. SiO₂, TiO₂, CeO₂, Al₂O₃) einsetzen [6–9]. Zwar können die Nanopulver aus dem FSP-Prozess auf dem Substrat aufgetropft oder gegossen werden, um Dünnschichten zu bilden, doch diese Schichten sind meist dicht, besitzen eine geringe Oberfläche und weisen keine Nano-Features auf. Für Anwendungen wie Sensoren, elektrochemische und photoelektrochemische (PEC) Geräte werden jedoch Dünnschichten mit poröser Struktur bevorzugt [10–12]. In diesen Anwendungen kann die poröse Struktur die Ausnutzung aktiver Materialien verbessern, die Kontaktfläche zwischen Elektrolyten und Reaktanten vergrößern und die Spannung während der Lithiierung abbauen, was die Leistung steigert. So wurden beispielsweise LiMn₂O₄-Schichten durch Flammensprühabscheidung und in-situ-Glühen hergestellt [13]. Die hochporöse Dünnschicht zeigte hervorragende Zyklenstabilität. Kun et al. synthetisierten Li₄Ti₅O₁₂-Dünnschichten für leistungsstarke, flexible Festkörperbatterien [14]. Tricoli et al. [15] erweiterten die FSP zur Herstellung von EC/PEC-Wasserspaltungs-Elektroden aus WO₃ und BiVO₄. Sie fanden, dass die Leistung direkt per FSP hergestellter Photoelektroden im Vergleich zu aus FSP-Nanopulvern gegossenen Schichten deutlich verbessert war. Diese Pionierarbeiten etablierten die FSP als leistungsfähiges Werkzeug zur direkten und schnellen Fertigung funktionaler Schichten mit guten Eigenschaften. Die Größe der Dünnschicht blieb jedoch durch das unbewegte Substrat begrenzt.

Bismutoxid zählt aufgrund seiner hohen theoretischen Färbemodulation und Umweltverträglichkeit zu den faszinierendsten elektrochromen Materialien [16–27]. So erwiesen sich durch Sputtern oder Vakuumverdampfung hergestellte Bismutoxid-Dünnschichten als neue elektrochrome Materialien [16, 24]. Auch Bismutoxid-Schichten aus Sol-Gel-Prozessen zeigten stabile elektrochrome Effizienz [17]. Ihre elektrochrome Leistung muss jedoch für praktische Anwendungen weiter verbessert werden. In dieser Studie schlagen wir einen flammenunterstützten Druckprozess (FAP) auf Basis der FSP vor, um poröse Bismutoxid-Dünnschichten auf fluor-dotiertem Zinnoxid (FTO) herzustellen. Die Schichtgröße kann 20 cm × 20 cm erreichen. Die im FAP-Verfahren abgeschiedene Bismutoxid-Dünnschicht zeigte hervorragende elektrochemische Eigenschaften mit einer Färbemodulation von 70,5 %. Die exzellente Leistung lässt sich auf die poröse Struktur der Dünnschichten zurückführen.

Experimenteller Teil

Herstellung von Bismutoxid-Dünnschichten

Ein FAP-Gerät wurde zur direkten Abscheidung von Bismutoxid-Dünnschichten auf FTO-Substraten eingesetzt (Abb. 1a). Die Dünnschichten wurden in folgenden Schritten hergestellt: Vor der FAP-Abscheidung wurden 20 cm × 20 cm große, transparente, leitfähige FTO-Glassubstrate mit einem Flächenwiderstand von 10 Ω/sq nacheinander in Aceton, deionisiertem Wasser, Ethanol und deionisiertem Wasser im Ultraschallbad gereinigt. Der Bismutoxid-Vorläufer wurde durch Erhitzen eines Gemischs aus Bismutcarbonat (1,45 g), 2-Ethylhexansäure (20 g) und deionisiertem Wasser (40 μl) auf 160 °C unter Rühren hergestellt. Vorläuferlösungen mit Gesamt-Bi-Konzentrationen von 1 und 5 mM wurden durch Lösen des Bismutoxid-Vorläufers in 2,2,4-Trimethylpentan (15 ml) hergestellt. Diese Lösung wurde mit einer Spritzenpumpe mit 2 ml/min zugeführt und mit 2,541 l/min Sauerstoff zu einem feinen Sprühnebel zerstäubt; dabei wurde ein Druck von 0,21 bis 0,33 MPa an der Düsenspitze aufrechterhalten. Der Sprühnebel wurde durch eine Stützflamme aus 0,4 l/min hochreinem Methan (99,9 %) und 0,4 l/min Sauerstoff gezündet. Ein Substrathalter in einem bestimmten Abstand unter dem Brenner diente der Abscheidung der Bismutoxid-Dünnschichten auf den FTO-Substraten bei einer geeigneten Abscheidetemperatur von 500 °C. Der FAP-Prozess dauerte 6 min. Genauer gesagt wurden die Schichten auf den FTO-Substraten abgeschieden, die auf einer bewegten Bühne platziert waren. Abschließend wurden die Dünnschichtproben bei einer Rate von 5 °C/min von Raumtemperatur auf 550 °C in Luft für 2 h geglüht.

Schematische Darstellung des flammenunterstützten Druckgeräts (a) und -prozesses (b) zur Abscheidung großflächiger Dünnschichten auf dem Substrat. (c) Optische Bilder des abgeschiedenen Punkts und der Linie im FAP-Prozess.

Herstellung von Wolframoxid-Dünnschichten

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

Charakterisierungsmethoden

Die Phasenzusammensetzung der Bismutoxid-Dünnschichten wurde mittels Röntgenbeugung (Bruker XRD, D8 Advance) mit Cu-Kα-Strahlung (40 kV/30 mA) analysiert. Die Oberflächenmorphologie wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (FESEM, Ultra 55, 10 keV) untersucht. Rauheitsmessungen erfolgten mit einem Profilometer (Bruker Contour, GT K 3D) bei einem Abschneidewert von 0,23 mm. An drei verschiedenen Bereichen der Proben wurde der mittlere Rauheitswert Ra bestimmt. Das elektrochrome Verhalten der Bismutoxid-Dünnschichten wurde mit einer standardmäßigen Drei-Elektroden-Elektrochemiezelle an einem AutoLab 302N elektrochemischen Arbeitsplatz untersucht. Die mit Bismutoxid beschichtete FTO-Glasscheibe diente als Arbeitselektrode, eine Platinfolie als Gegenelektrode und eine Ag/AgCl-Elektrode als Referenzelektrode. Als Elektrolyt diente eine 1 M LiClO₄-Lösung in Propylencarbonat (PC). Zyklische Voltammetrie (CV) wurde mit einer Scanrate von 2 mV/s bzw. 5 mV/s und einem Spannungsbereich von –2 bis 2 V bzw. –1 bis 1 V für Bismutoxid- bzw. Wolframoxid-Dünnschichten durchgeführt. Die optische Transmissionsänderung der Bismutoxid- und Wolframoxid-Dünnschichten während des Lade- und Entladeprozesses in der CV-Messung wurde in situ mit einem Miniaturspektrometer (Ocean Optics, FLMT01617) bei einer festen Wellenlänge von λ = 550 nm aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Das FAP-Gerät und der Prozess sind in Abb. 1a, b dargestellt. Während des FAP-Prozesses entsteht eine poröse Struktur durch die Bildung von Nanopartikeln, Primärpartikeln und großen Partikeln [28]. Das Wachstum von Nanopartikeln und Primärpartikeln erzeugt eine mehrstufige Struktur, während Kollisionen von Primärpartikeln und die Abtrennung großer Partikel die poröse Struktur generieren [29]. Viele Faktoren wie die Vorläuferkonzentration beeinflussen die finale Partikelmorphologie, Struktur und Leistung. Zur Abscheidung von Bismutoxid-Dünnschichten wurden Vorläuferlösungen mit Konzentrationen von 1 und 5 mM mit 2 ml/min in die Düse gepumpt und in Tröpfchen zerstäubt. Diese verbrannten zu Oxid-Nanoclustern. Die gebildeten Nanocluster kollidierten zu Nanopartikeln und lagerten sich auf dem FTO-Substrat ab, das auf der bewegten Bühne positioniert war. Diese wurde präzise durch Servomotoren gesteuert. Dadurch fegte die Flamme mit einer Geschwindigkeit von 2 mm/s zeilenweise über das Substrat. Der Abstand zwischen benachbarten Zeilen wurde auf 0,1 mm eingestellt (Abb. 1b). Die Schichtdicke wurde durch die Vorläuferkonzentration und die Wiederholungszeit gesteuert. Dieser zeilenweise Abscheidungsprozess ist analog zu einem Papierdruckprozess, weshalb wir ihn als flammenunterstütztes Drucken bezeichnen. Der FAP-Prozess wurde auch verwendet, um einen Punkt abzuscheiden (ohne Scannen) und eine Linie (mit Scannen) aus 5 mM Bismutoxid-Vorläufer. Die optischen Bilder des abgeschiedenen Punkts und der Linie sind in Abb. 1c gezeigt. Die Größe des Punkts und die Breite der Linie betrugen jeweils ~2 cm. Damit kann der FAP-Prozess prinzipiell beliebige 2D-Formen drucken, wobei die Auflösung auf 2 cm begrenzt ist. Nach der Abscheidung wurde die Dünnschicht bei 550 °C für 2 h geglüht. Röntgenbeugungsmuster (XRD) in Abb. 2 zeigen ihre kristallinen und Phasenstrukturen. Vor dem Glühen lag nur die α-Phase (JCPDS-Karte Nr. 71-0465) für Bi₂O₃ vor. Nach dem Glühen bei 550 °C traten zwei neue Phasen auf: die δ-Bi₂O₃-Phase (JCPDS-Karte Nr. 76-2478) und die nicht-stöchiometrische Bi₂O₂,₃₃-Phase (JCPDS-Karte Nr. 27-0051). Letztere steht im Zusammenhang mit Sauerstoffvacanzen durch das Glühen in ruhender Luft [30]. Der Phasenübergang stimmt mit früheren Studien überein [17].

Röntgenbeugungsmuster des FTO-Substrats (unten), der Bismutoxid-Dünnschicht (Mitte) im abgeschiedenen Zustand und der Dünnschicht (oben) nach der Wärmebehandlung bei 550 °C.

Die Morphologie der aus 5 mM Vorläufer erhaltenen Bismutoxid-Dünnschicht wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Wie in Abb. 3a, b gezeigt, weist die gesamte Struktur eine makroporöse Struktur mit Sekundärpartikeln von mehreren hundert Nanometern auf. Zum Vergleich wurde auch eine Dünnschicht aus 1 mM Vorläufer abgeschieden. Diese erwies sich als massive Schicht mit Sekundärpartikeln, die sich 1 μm näherten (Abb. 3c, d). Die unterschiedliche Vorläuferkonzentration verursachte offenbar den Morphologiewechsel. Laut großflächiger Charakterisierung mit dem Profilometer betrug der mittlere Ra-Wert der Bi₂O₃-Dünnschicht aus 5 mM Vorläufer 29 ± 2 nm (Abb. 3e), was mit den SEM-Analysen übereinstimmt. Bei hoher Konzentration kollidieren Partikel leicht miteinander, und verzweigte Sekundärpartikel lagern sich auf den Substraten ab. Bei niedriger Konzentration sind die Primärpartikel klein genug, um die Lücken zwischen den abgelagerten Partikeln zu füllen, wodurch die Morphologie weniger porös erscheint. Damit lassen sich Morphologie und Porenstruktur der Dünnschicht im FAP-Prozess durch die Vorläuferkonzentration steuern. Zusätzlich wurde der Einfluss der Abscheidezeit auf die Schichtdicke untersucht. SEM-Bilder der Querschnitte der Schichten für Abscheidezeiten von 6 min, 12 min und 24 min sind in Abb. 4 dargestellt. Ihre Dicken nahmen mit der Zeit zu. Damit kann der FAP-Prozess die Schichtdicke auch durch Variation der Abscheidezeit kontrollieren.

Morphologische Charakterisierung der Bismutoxid-Dünnschichten. SEM-Bilder (a, b) der Bismutoxid-Dünnschicht auf FTO-Substraten aus 5 mM Lösung. SEM-Bilder (c, d) der Bismutoxid-Dünnschicht aus 1 mM Lösung mit Wärmebehandlung bei 550 °C. (e) Rauheitsprofil der Bismutoxid-Dünnschicht aus 5 mM Lösung.

SEM-Bilder von Querschnitten der Dünnschichten für Abscheidezeiten von (a) 6 min, (b) 12 min und (c) 24 min sowie (d) der Zusammenhang zwischen Schichtdicke und Abscheidezeit.

Die elektrochromen Eigenschaften der Bismutoxid-Dünnschicht aus dem 5 mM-Vorläufer wurden weiter untersucht. Die Farbe der Dünnschicht änderte sich von hellgelb im entfärbten Zustand zu schwarz im gefärbten Zustand (Abb. 5a, Inset). Die optischen Spektren zeigten, dass die Transmission im entfärbten Zustand zwischen 75–100 % lag, während sie im gefärbten Zustand zwischen 10–30 % betrug. Die CV-Kurve (Abb. 5b) wies einen kathodischen Peak bei –1,3 V und zwei anodische Peaks bei 0,1 V und 1,2 V auf, was typisch für die Lithium-Interkalation in die Bismutoxid-Struktur zur Bildung von LiₓBi₂O₃ beim Laden und die reversible Deinterkalation zurück zu Bi₂O₃ beim Entladen ist, bedingt durch die Bi₂O₃/LiₓBi₂O₃-Redoxreaktion [16]:

Bi₂O₃ + xLi⁺ + xe⁻ ↔ LiₓBi₂O₃ (1)

(a) Optische Spektren im entfärbten und gefärbten Zustand, (b) zyklische Voltammogramme, (c) zeitabhängige Transmission bei 550 nm und (d) Färbeeffizienz der Bismutoxid-Dünnschicht, abgeschieden mit 5 mM Lösung.

Die stabilen Redox-Paar-Reaktionen des Bismutoxids bewirken, dass die Elektrode gute Reversibilität und Stabilität zeigt, da sich Form, Größe und Position der anodischen und kathodischen Peaks kaum ändern. Die scharfen, gut definierten Peaks deuten auf schnelle Ionen-Deinterkalation und -Interkalation hin. Die CVs in Abb. 5b der Bismutoxid-Dünnschicht-Elektroden zeigen das charakteristische Verhalten der zweistufigen Extraktion (Peaks bei 0,1 V und 1,2 V) und Einlagerung (Peak bei –1,3 V) von Lithiumionen in einem Depot mit gleichmäßiger Korngröße, was auf eine erfolgreiche Schichtbildung und Dichtung hinweist. Alle Elektroden zeigen Uniformität in der Teilchengröße nach erfolgreicher Schichtpräparation. Dies deutet darauf hin, dass die Oberflächenqualität nach der Wärmebehandlung ein homogenes Stapeln poröser Schichten ermöglicht. Die langfristige Zyklenstabilität dieser Bismutoxid-Dünnschicht-Elektrode ist jedoch nicht so gut wie erwartet, was auf mangelnde Haftung am FTO-Substrat zurückzuführen ist. Die Verbesserung dieser Zyklenstabilität durch Anpassung der Vorläuferkonzentration und der Glühtemperatur bleibt zukünftiger Arbeit vorbehalten.

Die zeitabhängige optische Transmission der Bismutoxid-Dünnschichten wurde während der CV-Messung in situ aufgezeichnet (Abb. 5c). Die Transmissionswellenlänge wurde auf 550 nm eingestellt, was für das menschliche Auge besonders empfindlich ist [31]. Nach dem ersten Zyklus betrugen die maximale und minimale Transmission 80,7 % bzw. 10,2 %. Beide Transmissionswerte im entfärbten und gefärbten Zustand blieben stabil. Die minimale Transmission im gefärbten Zustand und die maximale im entfärbten Zustand wurden als T_c bzw. T_b aufgezeichnet. Der optische Kontrast ΔT_λ=550 nm wurde als ΔT = T_b – T_c definiert. Offensichtlich wies die Bismutoxid-Dünnschicht einen großen optischen Kontrast von über 70 % auf. Die Dünnschichten zeigten eine leichte optische Degradation während des 2., 3. und 4. Zyklus. Der Unterschied zwischen gefärbtem und entfärbtem Zustand ist sichtbar. Dies wird hauptsächlich durch Degradation in der Reaktion [17, 32] und die poröse Struktur, die zu unvollständiger Reaktion führt [33], verursacht. Die EC-Antwortzeit T₀,₅ ist definiert als die Zeit, in der die optische Transmission 50 % des Färbungs-/Entfärbungszustands bei 550 nm erreicht. Wie in Abb. 5c und 6b gezeigt, beträgt T₀,₅ = 120 s für die Bismutoxid-Dünnschicht aus 5 mM Vorläuferlösung und T₀,₅ = 300 s für die aus 1 mM Vorläuferlösung. Die schnellere Entfärbungsrate lässt sich auf die poröse Nanostruktur zurückführen, die im FAP-Prozess entsteht. Konventionell wird die Färbeeffizienz η (CE) zur Beurteilung der EC-Leistung mit folgender Formel verwendet [17]:

η (CE) = ΔOD / Q = log(T_b / T_c) / Q (2)

wobei T_b und T_c die Transmissionswerte im entfärbten und gefärbten Zustand bei einer gegebenen Wellenlänge sind, ΔOD der Unterschied der optischen Dichte und Q die entsprechende ein- bzw. ausgelagerte Ladungsdichte. In dieser Arbeit werden die Ladungsdichten aus den CV-Kurven berechnet. Die CEs der Bismutoxid-Dünnschicht lagen alle über 10,0 cm²/C (Abb. 5d). Die CEs der Bismutoxid-Dünnschicht aus 5 mM Vorläufer waren nahezu identisch mit denen aus Sol-Gel-prozessierten Dünnschichten [17] und deutlich höher als die 3,7 cm²/C aus [16]. Bei der Bismutoxid-Dünnschicht aus 1 mM Vorläuferlösung waren die anodischen und kathodischen Peaks verbreitert (Abb. 6a). Eine signifikante Peakverbreiterung bei der anodischen Färbung trat meist auf, wenn die Vorläuferkonzentration weit unter 5 mM lag. Dies lässt sich durch die geringere Konzentration erklären, die weniger Fest/Fest-Grenzflächen im Kompositfilm aufgrund der weniger porösen Struktur verursachte [34]. Gleichzeitig betrug der optische Kontrast nur 30–40 % (Abb. 6b), und die CE lag bei 2,7–3,4 cm²/C. Im Vergleich zur Dünnschicht aus 5 mM Vorläuferlösung war die schlechtere Leistung auf den relativ massiven Charakter der Dünnschicht zurückzuführen. Bei der elektrochemischen Reaktion hatte der Elektrolyt weniger Kontaktfläche mit dem aktiven Material, sodass weniger aktives Material an der Reaktion teilnahm. Zudem war die Degradation in den nachfolgenden Zyklen aufgrund der strukturellen Instabilität offensichtlich, die durch Volumenänderungen der Dünnschicht in der Reaktion verursacht wurde, während die poröse Struktur in der Dünnschicht aus 5 mM Lösung solche Änderungen ausgleichen konnte.

CV (a) und zeitabhängige Transmission (b) der Bismutoxid-Dünnschicht, abgeschieden aus 1 mM Lösung nach Wärmebehandlung bei 550 °C.

Wird die FAP-Ausrüstung auf die Synthese anderer Oxide wie Wolframoxid ausgeweitet, zeigte das SEM-Bild (Abb. 7a) die Mikrostruktur der abgeschiedenen Wolframoxid-Dünnschicht bei einer Vorläuferkonzentration von 2,5 mM. Sie wies Sekundärpartikel auf, die viele kugelförmige Primärpartikel aggregierten und eine Blumenkohlstruktur bildeten. Genauer gesagt schienen die Sekundärpartikel größer und weniger porös zu sein als die Bismutoxid-Dünnschicht aus 5 mM Vorläufer. Es zeigten sich anodische und kathodische Peaks bei 0,1 und –0,5 V, typisch für die Lithium-Deinterkalation und -Interkalation (Abb. 7b). Die Färbung/Entfärbung in WO₃-Dünnschichten beruht auf der Einlagerung und Auslagerung von Lithiumionen, gemäß der Reaktion [35]:

WO₃ + xLi⁺ + xe⁻ ↔ LiₓW⁶⁺₍₁₋ₓ₎W⁵⁺ₓO₃ (3)

(a) SEM-Bild, (b) zyklisches Voltammogramm und (c) zeitabhängige Transmission der Wolframoxid-Dünnschicht bei 550 nm.

In der WO₃-Dünnschicht reduzieren die eingelagerten Elektronen einige W⁶⁺-Ionen zu W⁵⁺ und polarisieren ihr umgebendes Gitter, wodurch kleine Polarone entstehen, die die optische Absorption verursachen. In der Bismutoxid-Dünnschicht könnte die Färbung/Entfärbung demselben Mechanismus folgen. Instabile chromatische Eigenschaften könnten jedoch durch Spannungsaufbau aufgrund von Volumenänderungen oder Auflösung von LiₓBi₂O₃ im Elektrolyten während der Reaktion verursacht werden. Das Ablösen der Bismutoxid-Dünnschicht vom FTO-Substrat wurde nach mehreren Färbungs-/Entfärbungszyklen häufig beobachtet. Die entfärbten und gefärbten Zustände blieben über 4 Zyklen stabil (Abb. 7c). Die chromatischen Eigenschaften von Wolframoxid sind stabiler als die von Bismutoxid [16, 17, 35–39]. Der optische Kontrast lag bei etwa 35 %. Er war relativ gering, aber nicht niedriger als der der Bismutoxid-Dünnschicht aus 1 mM Vorläufer. Für einen höheren Wert sollte die Dicke der Wolframoxid-Dünnschicht erhöht werden. Die erste Färbeeffizienz von Wolframoxid betrug 3,4 cm²/C, nahezu identisch mit den berichteten Daten [16] und zwischen den Werten der Bismutoxid-Dünnschichten aus 1 und 5 mM Vorläufer. Magnetronsputtern, gepulste Laserdeposition und chemische Gasphasenabscheidung sind gängige Beschichtungsverfahren. Sie können hochwertige Dünnschichten mit Dickenpräzision von wenigen Nanometern erzeugen. Alle sind jedoch aufgrund der Größenvorrichtung der Abscheidungskammer schwer für großflächige Dünnschichten einsetzbar. Der FAP-Prozess kann hingegen leicht große Proben herstellen und in offener Atmosphäre betrieben werden. Zwar lässt sich die Dicke nicht sehr präzise steuern, doch die Morphologie der Dünnschicht kann für spezifische Anwendungen angepasst werden. Die Ergebnisse zeigten, dass FAP die Nanostruktur der abgeschiedenen Schicht durch die Vorläuferkonzentration einstellen kann, was wiederum die elektrochrome Leistung beeinflusst.

Fazit und Ausblick

Großflächige Bismutoxid-Dünnschichten wurden erfolgreich durch einen FAP-Prozess hergestellt. Die Morphologie der Dünnschichten ließ sich durch Abscheideparameter wie die Vorläuferkonzentration steuern. Das Bismutoxid mit poröser Nanostruktur zeigte hervorragende elektrochrome Eigenschaften mit einem maximalen optischen Kontrast von 70,5 % und einer Färbeeffizienz über 10,0 cm²/C. Dieser FAP-Prozess lässt sich auf die Synthese weiterer poröser nanostrukturierter Materialien für Anwendungen in Energiespeicherung und -wandlung übertragen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle im Rahmen dieser Studie erzeugten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Abkürzungen

FSP:

Flammensprühpyrolyse

FAP:

Flammenunterstütztes Drucken

EC:

Elektrochrom

PEC:

Photoelektrochemisch

FTO:

Fluor-dotiertes Zinnoxid

FESEM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop

PC:

Propylencarbonat

XRD:

Röntgenbeugung

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

CE:

Färbeeffizienz