Elektrokroma (EC) material, bland de viktigaste "gröna" tekniska komponenterna för hållbarhet och energibesparingar, har väckt intresse för akademi och industri. Volframoxid (WO ₃ ) är ett omfattande undersökt EC-material som används flitigt i dagens smarta fönster. Ett populärt EC-tillvägagångssätt är reversibelt införande av små joner i elektrodmaterial. Tunna filmer av WO ₃ kan därför ändra sin färg från klar till djupblå genom att justera litiumjon (Li ⁺ ) insättning under en lågspänningsförspänning. Eftersom lågspänningsdrift är fördelaktigt för en mängd applikationer, Li ⁺ interkalerad WO ₃ (Li _x WO ₃ ) är ett genomförbart alternativ för EC-enhetsapplikationer.

Dock, Li ⁺ insättningar är inte alltid reversibla. Efter flera cykler, dessa joner aggregerar i filmen och eroderar den elektrokroma effekten. Detta, i tur och ordning, påverkar optisk modulering och långvarig hållbarhet, båda är väsentliga för praktisk användning av EC-enheter. Insättningarna resulterar i reversibel Li ⁺ , irreversibel Li ₂ WO ₄ bildning, och irreversibel Li ⁺ fångst. Den "irreversibla bildningen av Li ₂ WO ₄ "försämrar elektrokromism, och Li ⁺ "fångade" på djupa platser gör jonerna orörliga, vilket resulterar i irreversibilitet. I huvudsak, att utvärdera implikationerna av båda typerna av irreversibilitet är avgörande.

I en ny studie publicerad i Tillämpad ytvetenskap , forskare från Tokyo University of Science och National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, samarbetade för att kvantitativt bedöma irreversibiliteten hos Li _x WO ₃ tunna filmer. Diskuterar de viktigaste problemen som studien tar upp, Docent Tohru Higuchi från Tokyo University of Science, som ledde studien, konstaterar "Det finns två kritiska frågor som uppstår:För det första, är irreversibel Li ₂ WO ₄ bildning som skiljer sig från irreversibel Li ⁺ fånga? Andra, kan dessa irreversibla komponenter samexistera?" Han tillägger, "Konventionella åtgärder kan inte skilja mellan de två oåterkalleliga komponenterna. Som ett resultat, vi genomförde en kvantitativ undersökning för att ge solida svar på dessa frågor."

Forskarna utarbetade en kvantitativ utvärderingsmetod som kombinerar in situ hård röntgenfotoelektronspektroskopi (HAXPES) och elektrokemiska mätningar. HAXPES används för att undersöka nedgrävda gränssnitt, medan elektrokemiska tester används för att undersöka korrosionsegenskaper. Interkalationen av Li ⁺ resulterar i en redoxreaktion som ändrar oxidationstillståndet för volfram (W) joner från W ⁶⁺ till W. ⁵⁺ . Baserat på denna förändring, HAXPES kan utvärdera "reversibel Li ⁺ " och "oåterkallelig Li ⁺ fångst." utvärderar "irreversibel Li ₂ WO ₄ formation" med HAXPES är utmanande. Dr. Takashi Tsuchiya, en huvudforskare vid NIMS och medförfattare till studien, förklarar varför:"W joner i Li ₂ WO ₄ har ett stabilt oxidationstillstånd eftersom de finns i W ⁶⁺ form. Som ett resultat, HAXPES kan inte utvärdera irreversibiliteten som orsakas av Li ₂ WO ₄ bildning. Elektrokemiska mätningar, tvärtom, kan skilja 'reversibel Li+' från de två irreversibla komponenterna. Därför, Att integrera båda metoderna möjliggör distinktion och kvantitativ utvärdering av alla tre komponenterna. "

För att utföra de elektrokemiska mätningarna, forskarna byggde en Li _x WO ₃ -baserad redoxtransistor på den plana ytan av en litiumjonledande glaskeramik (LICGC). De byggde också en elektrokemisk cell med en WO ₃ tunn film som halvledare och ett LICGC-substrat som elektrolyt för att utföra HAXPES-mätningar. Vidare, de använde in situ Raman-spektroskopi för att bedöma påverkan av Li ⁺ insättning på Li _x WO ₃ strukturera. De kunde framgångsrikt bestämma ökningen i kristallinitet orsakad av Li ⁺ införande. Proportionerna av reversibel Li ⁺ , irreversibel Li ₂ WO ₄ bildning, och irreversibel Li ⁺ fångst beräknades till 41,4 %, 50,9 %, och 7,7 %, respektive.

Forskarna tror att deras studie kommer att hjälpa till att utveckla och designa förbättrade EG-material och -enheter. "För några år, den främsta drivkraften för EG:s forskning och utveckling har varit potentiella tillämpningar i energieffektiva byggnader och flygplan. Dock, det finns också flera andra applikationer, såsom energibesparande och synvänliga elektroniska pappersdisplayer, " säger Dr Kazuya Terabe, huvudforskare för International Center for Materials Nanoarchitectonics vid NIMS och en medförfattare till studien, "Dessutom, våra resultat breddar tillämpningsmöjligheterna genom att ge grunden för den framtida utvecklingen av högpresterande WO ₃ -baserade EC-enheter."