Bias-Enhanced Tungsten Oxide Films for Durable Electrochromic Devices

La technologie des couches minces fait partie intégrante de la vie courante mais reste tout de même largement méconnue du publique. Elle consiste à déposer des couches très minces de matériaux, de l'ordre du micron ou même du nanomètre sur un objet afin de modifier les propriétés et par le fait même, la façon dont il interagit avec le monde. Ces revêtements fonctionnels sont utilisés pour augmenter la durée de vie des outils et engins mécaniques, pour donner de la couleur et brillance à une surface, pour prévenir les égratignures et les reflets sur les lunettes, ainsi qu'une multitude d'autres applications. Un autre usage très important est pour les fenêtres écoénergétiques, où des revêtements spécialement conçus peuvent aider au contrôle de la température en modifiant leur efficacité thermique. Parmi les nanotechnologies dites “vertes” pour la fenestration existe la fenêtre intelligente, basée sur des matériaux électrochromiques ayant la capacité de moduler leur coloration par l'insertion d'ions lorsqu'un courant électrique est appliqué. En cyclant entre un état coloré et un état transparent, l'absorption thermique de la fenêtre peut être ajustée de manière à réduire la consommation énergétique pour le chauffage et la climatisation. Ce projet s'intéresse principalement au plus connu des matériaux électrochromiques pour ses capacités supérieures: le WO3. Puisque le WO3 et les dispositifs électrochromiques en général ont tendance à souffrir de dégradation lors de longues périodes d'utilisation, l'objectif de ce projet est d'améliorer la durabilité du matériau en modifiant sa microstructure. Pour ce faire, nous avons préparé ce matériau par pulvérisation magnétron RF avec l'assistance d'un bombardement ionique à haute énergie généré par un potentiel électrique appliqué sur le porte-substrat. Des échantillons ont été préparés avec et sans bombardement ionique, à haute et basse pression, puis ont été analysés par ellipsométrie, spectrophotométrie, microscopie à force atomique, microscopie électronique à balayage, microscopie électronique en transmission et voltammétrie cyclique. Ceci nous a permis d'établir qu'à des énergies assez élevées, le bombardement ionique cause des modifications structurelles importantes, particulièrement de la nanocristallisation et une porosité microstructurale. Pour des échantillons préparés à basse pression, ces changements sont jugés responsables d'une large augmentation de la durabilité par rapport aux échantillons à haute pression, tout en maintenant une structure poreuse favorable pour l'insertion d'ions et la coloration. Des travaux ont aussi été réalisés pour développer de petits dispositifs électrochromiques pour des applications d'authentification de documents importants.

Abstract

Thin film technology is a critical component of many objects in our daily lives, yet remains mostly unknown to the public at large. It consists in the deposition of very thin layers of material on substrates at the micron or even at the nanometer scale to modify their properties and consequently, the way they interact with the world. These so-called functional coatings can be used to vastly augment the lifetime of tools and mechanical parts, to give color and sheen to a surface, to prevent scratches and glare on glasses as well as multitude other uses. One very important application is for eco-energetic windows, where specially designed coatings can help with temperature control by improving their thermal efficiency. Amongst these “green” nanotechnologies for fenestration is the smart window, based on electrochromic materials which possess the ability of transmission modulation following the application of an electrical current resulting in ion insertion. By switching between a colored and a bleached state, the thermal absorption of the window can be adjusted to reduce the energy required to heat or cool a building. This work focuses mostly on the most famous electrochromic material for its superior properties: WO3. Since WO3 and electrochromic devices in general tend to suffer from degradation issues over repeated coloration/bleaching cycles, the aim was to improve the durability of the material by changing its microstructure. To do so, we prepared the material with RF magnetron sputtering and the assistance of a high energy ion bombardment generated by substrate biasing. Samples were prepared at high and low pressures with and without ion bombardment and subsequently analyzed by ellipsometry, spectrophotometry, atomic force microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and cyclic voltammetry. This allowed us to establish that at high enough energies, the ion bombardment results in significant structural changes, most notably nanocrystallization and microstructural porosity. For samples prepared at low pressures, these changes are thought to be responsible for a large increase in durability over samples deposited at higher pressures whilst maintaining a porous microstructure favorable for ion insertion and coloration. Work was also done towards developing smaller electrochromic devices aimed towards the anticounterfeiting market. Future work based on this project includes further research into the growth mechanisms of WO3 and other materials under high energy ion bombardment as well as integration of the biased WO3 layers into security devices.