具有电致变色和光致变色性能的渗透金属结构制造技术

二维或三维、单层或者多层的纳米结构，其整体结构的电导率σ由于相邻簇之间的局部隧道效应而具有高的非线性，且可以通过改变施加在电极上的电压来任意改变它。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及渗透金属薄膜。渗透金属薄膜为一种二维或三维纳米结构的金属结构，包含彼此相互连接或者由于隧道效应被耦合的金属簇，从而确保导电。该结构通常通过蒸发过程(热或电子束)获得，或者由通过化学气相沉积或经脉冲微等离子体源的超声簇束的溅射过程获得。该薄膜的电学及电子性能表明作为整体系统的电导率σ不是不变的，而是随着施加在该薄膜端部的电压而变化。对不连续金属薄膜电导率σ的相对简单的控制，使该系统基于电致变色效应具有感兴趣的应用。这时，我们指的是光学性能变化，特别是吸收、透射率及反射率的变化，以及和施加电压相关联的颜色的变化。相反地，薄膜光致变色性能可能是由于光场引起的单个簇的极化率所造成。簇的性能类似于依赖所施加光场的粒子等离子体激元。
技术介绍
电致变色材料电致变色材料是指注入或抽取电子(与/或离子)时，吸收光谱(因此其颜色)发生明显改变的材料。参考附图的图1，电致变色器件通常包含如上述图中所示的多层结构，该多层结构包括其上覆盖电致变色材料层2的透明电极1，加入有电解液4的间隔层3，以及最终的第二电极。两个电极之间施加的电场向电致变色薄膜注入电荷，从而引起其吸收光谱的变化。电致变色材料有许多种，既有有机的也有无机的电致变色材料。在所有这些材料中，在实际器件中具有重要地位的是氧化钨(WO3)。在具有所谓的阴极着色的材料中，可提到下述材料MoO3、V2O5、Nb2O5及TiO2；下述材料具有阳极着色IrO2、Rh2O3、CoOx及NiOx。对电致变色现象的兴趣最近转向一些电学活性的聚合物(诸如聚苯胺)及生物聚合物。不同于包括诸如玻璃金属离子的传统光致变色材料，由于簇的性能类似金属等离子体激元，即簇被入射光场极化，使得渗透金属薄膜改变其光学性能。渗透金属薄膜中的隧道效应位于渗透水平(percolation level)的金属薄膜是由中间多孔隙的金属结构构成，该金属结构包含彼此相互连接或者由于隧道效应被耦合的金属纳米颗粒，从而确保导电。渗透水平被定义为，薄膜沉积过程中系统由绝缘性转变为导电性的点。这些渗透薄膜的制作技术包括热蒸发或者电子束蒸发、共蒸发、溅射以及多种金属及半导体胶体颗粒自组装的技术，或者脉冲微等离子体技术。金属-绝缘体界面是位于渗透水平的金属系统内部的一种典型情况，该金属-绝缘体界面在该系统的每个不连续处发生。存在多种通过金属-绝缘体界面的电子传输机制欧姆传导、离子传导、热发射、场效应或者Fowler-Nordheim电子隧道效应所引起的发射。在特定的材料中，各个前述机制在给定的温度和电压范围(电场)内起主导作用，且对电流、电压及温度有着特性上的依赖关系。这些不同的过程不一定相互独立。场效应所致发射，亦称为Fowler-Nordheim电子隧穿，存在于通过金属-绝缘体界面的电子传输中，其原因为隧道效应引起的电子从费米(Fermi)金属能级转移到绝缘体的导带。这种隧道效应发生于存在强电场的情况下(其名称由此得来场效应所致发射)，该强电场能使得绝缘体的能带弯曲，直到在金属和绝缘体之间形成窄的三角形势垒。通常认为，电子的势能是从金属内部的零变化到金属表面外部的值EF+Φ。附图2中这种情况用曲线(a)表示。然而，从金属逃逸的电子碰到的势垒具有更为渐进过程可以合理地认为，势能先随离开金属表面的距离而线性增大；但当电子离开所述表面到达几个处时，电子应受到相应于电荷-e作用力的吸引力影响，由于吸引力的存在，所述电子的势能变为 V(x)=(EF+Φ)-(e216πϵ0x)]]>x为电子离开金属表面的距离。附图1中这种情况用曲线(b)表示。最后，通过在金属周围的真空区域沿x方向施加电场，电子势能变为V(x)=(EF+Φ)-(e216πϵ0x)-exE]]>其中E为施加的电场。通过对该表达式进行微分可以找出势能的最大值，如附图1中的曲线(c)所示，最大值位于xmax=(e/16πϵ0E)1/2Vmax=V(x)=(EF+Φ)-(e3E/4πϵ0)1/2]]>从图2可以观察到，外部电场的存在导致有效功函数的略微降低。如果外部电场不是很强(一直到几千伏/米)，则真空下金属典型功函数的值的降低较小在这种情况下，势能最大值是在距离金属外表面许多的地方。然而，即使Φ值小幅降低，仍会导致热发射现象，这是由于在没有外部电场存在时，许多电子不具有足够能量跨越势垒。当电场变得很强，约109伏特/米时，除了金属典型功函数的降低之外，会出现另一个现象，称之为隧道效应或电子隧穿所致的发射。表面金属/绝缘体上产生的势垒变得很薄，以至于通过量子隧道效应使得金属电子穿过。如果电场具有一个临界值，势垒变得足够薄，位于金属费米能级的电子获得有限概率而通过所述势垒。对于更大值的电场，即使是厚度更小的势垒，仍使得具有更低能量的电子由于隧道效应而通过该势垒。隧道效应发射的电流密度严格取决于电场强度，但基本上与温度无关j∝E2exp(-bΦE)]]>其中E为电场强度，Φ为势垒高度，b为比例系数。应该指出，对于电子隧穿引起的发射，电子不需要任何热激发(这解释了为何j与温度无关)，而需要强电场来降低势垒厚度并使绝缘体的导带和价带弯曲。这解释了j与电场强度的严格依赖关系。事实上，在这种情况下，电子并非超过势垒，而是穿过势垒。对于费米能级电子来讲隧穿概率应该非常小，除非势垒厚度小于10。这就是为何可合理地预计电场的临界值约为3×109伏特/米，高于该值时发生由于电场效应所引起的发射。相反地，这种发射在宏观电场强度小于该值30倍时仍会发生。金属表面的局部不规则是存在高强度电场的可能原因，但仅仅是局部地，且绝大部分电场效应引起的发射可能来自这些区域。在渗透金属系统内，特别是在每个金属-真空界面，出现电场局部增加，该电场达到允许出现电子隧道效应的电场强度。应该强调，电场的局部增加越大，电场发射涉及的面积就越小。在渗透金属系统的各个不连续处，即在发生电场局部增加及由于电场效应引起电子发射处，应该有电流密度的局部增加。事实上，场效应发射的电子以及来自热发射的电子都对总电流有贡献。由于这个原因，渗透金属系统应该具有带有欧姆过程(ohmic course)的电压-电流特性曲线由于热发射以及场效应引起的发射，电流随着施加电压的增加应该比具有线性特性的欧姆导体中的情况要快。对于二维渗透金属系统，特别是通过热蒸发或电子束在玻璃衬底上形成的不连续金属薄膜内，已经测量了非线性的电学特性。附图3、4、5示出了位于渗透水平的不连续金属薄膜结构及其非线性电学特性。图3示意性代表了在渗透点的二维不连续金属薄膜的结构。连续的线为电流从一个电极流到另一个电极的连续沟道。形成二维渗透薄膜的金属颗粒之间的距离为1～5纳米。图4示出了长度(电极之间距离)为0.5毫米，厚度为2～5纳米，真空中三个不同的二维渗透金属薄膜(Au、Ag、Al)的电学特性。I-V曲线的非欧姆过程非常明显。图5示出了宽度为0.5毫米，厚度为2纳米，空气中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：P·珀洛，N·利皮拉，R·蒙菲里诺，M·布里农，P·雷佩托，V·拉姆伯蒂尼，D·普利尼，R·菲尼齐奥，F·贝尔纳，
申请(专利权)人：P·珀洛，N·利皮拉，R·蒙菲里诺，M·布里农，P·雷佩托，V·拉姆伯蒂尼，D·普利尼，R·菲尼齐奥，F·贝尔纳，
类型：发明
国别省市：