Dépôt de couches minces de WO3 à incidence rasante pour un électrochromisme stable et la sélectivité angulaire

Les matériaux électrochromiques peuvent changer leurs propriétés optiques lors de l'intercalation d'ion et d'électrons dans leurs mailles. Cet effet a été utilisé pour la création de verre intelligent, avec des applications comme les fenêtres intelligentes pour l'efficacité énergétique des bâtiments ou des filtres optiques interférentiels actifs, principalement à base d'oxyde de tungstène (WO3). Afin d'assurer un transport efficace des ions dans les matériaux électrochromiques à l'état solide, il est généralement requis que ces derniers soient poreux. À cette fin, nous avons étudié des couches minces de WO3 réalisées par la méthode de dépôt à incidence rasante (GLancing Angle Deposition, ou GLAD), une technique qui exploite l'effet d'ombrage atomique afin de créer des matériaux très poreux comportant une grande surface efficace et un indice de réfraction faible. Les couches ainsi obtenues sont étudiées par imagerie MEB, voltammétrie cyclique en solution acide (ions H+), ellipsométrie spectroscopique à angle variable (VASE) et par spectrophotométrie à angle variable. L'assistance par bombardement d'ions d'oxygène est aussi étudiée comme étant un moyen de contrôler la porosité du matériau tout en améliorant la stabilité électrochimique des couches et en conservant la structure colonnaire typique des couches GLAD. Enfin, la sélectivité angulaire du matériau est étudiée par une approche de modélisation informatique de la réponse optique du WO3 GLAD coloré qui est comparée à des résultats empiriques. Nous trouvons donc que les couches minces de WO3 GLAD déposées avec une assistance ionique sont plus stables et possèdent des coefficients de diffusion ioniques plus élevées que les couches classiques déposées par pulvérisation, tout en offrant un autre mode de contrôle des constantes optiques. Nous montrons enfin que les couches GLAD permettent sélectivité angulaire de la lumière en transmission en raison de leur structure anisotrope. En effet, la lumière polarisée selon l'axe des colonnes (p). En utilisant la modélisation, des avenues d'optimisation sont présentées.

Abstract

Electrochromic materials are able to change their optical properties upon the intercalation of electrons and ions into their lattice. This effect has been applied to create smart glass, with applications such as energy-efficient smart windows as well as tunable optical filters. In order to ensure high ionic diffusion coefficients, WO3 films are typically required to be porous. In this respect, we have studied such films made by GLancing Angle Deposition (GLAD), a technique which exploits atomic shadowing effects to generate highly porous thin films possessing a high specific area as well as low refractive indices. The resulting films are studied by cyclic voltammetry under hydrogen insertion, SEM imaging as well as angular-resolved spectrophotometry and ellipsommetry. Ion assisted deposition by oxygen ions is also studied as a means of densifying the porous coatings to improve their long term electrochromic stability while still preserving their characteristic columnar microstructure. Finally, we study the angular selectivity of the coatings via a modelling approach which is compared to empiric measurements. We find that the GLAD technique offers a wide range of refractive indices, which are correlated with column tilt. Ionassisted (IA) WO3 GLAD coatings are shown to be more stable and to possess higher ionic diffusion coefficients when compared to regular dense sputtered films. Thus, IA is a suitable technique for more stable porous EC films, in addition of offering a second way to fine-tune optical constants. Finally, we show that the anisotropic structure of the films interacts asymmetrically with p-polarized light when it is incident in-plane with the nanocolumns. This angular selectivity is described and computer modeling is used to propose optimization avenues.